摘要

如果只是在特定輸入電壓、電荷電平和封裝尺寸下來考慮一個(gè)單獨(dú)的充電器，則電池充電是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的概念。但是，充電通常是在某種系統(tǒng)負(fù)載下完成的，其會(huì)使充電過程復(fù)雜化。本文將重點(diǎn)介紹，在沒有電池的情況下支持系統(tǒng)負(fù)載的電池充電器存在的潛在啟動(dòng)和運(yùn)行問題，以及充電器輸出特性如何對(duì)系統(tǒng)輸入特性做出反應(yīng)。

引言

系統(tǒng)在沒有電池的情況下依靠充電器工作正變得越來越普遍。這種情況可能會(huì)出現(xiàn)在正常應(yīng)用或廠商的產(chǎn)品測(cè)試期間。圖 1 中，在任何瞬態(tài)或上電條件下都沒有電池電源為系統(tǒng)供電。如果設(shè)計(jì)不夠合理，則充電器就會(huì)在短路狀態(tài)下鎖閉。要想解決這些設(shè)計(jì)問題，我們必須充分理解充電器的輸出源規(guī)范和輸入系統(tǒng)負(fù)載要求。

圖 1 充電器電源和系統(tǒng)負(fù)載結(jié)構(gòu)圖

無電池運(yùn)行問題

人們通常認(rèn)為鋰離子 (Li-Ion) 電池充電器是一種在穩(wěn)定電壓下可以被控制的電流源。一般而言，這種器件都配有電池組，其起到一個(gè)能量?jī)?chǔ)存器（大容量電容）的作用，以通過電源瞬態(tài)持續(xù)為系統(tǒng)供電。如果系統(tǒng)負(fù)載超出源電流片刻，電池便會(huì)補(bǔ)充額外的電流。在沒有電池的情況下，如果系統(tǒng)負(fù)載電流超過了充電器的源電流，則系統(tǒng)電壓就會(huì)迅速下降。麻煩的是，充電器為一個(gè)三級(jí)電流源，即短路、預(yù)充電和快速充電。超過有效電流會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降，并且還可能會(huì)使充電器進(jìn)入預(yù)充電，然后轉(zhuǎn)入電流更少的短路階段。相反，如果負(fù)載電流低于充電器電流，則系統(tǒng)電壓上升，直到達(dá)到 4.2V 穩(wěn)定電壓為止。最后，充電電流下降至與負(fù)載電流相等。

要想實(shí)現(xiàn)無電池工作，必須對(duì)充電器和系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使充電器能夠始終向系統(tǒng)提供要求的電流。要解決這個(gè)問題，充電器的 IV 特性必須要與系統(tǒng)負(fù)載 IV 特性相匹配。

充電器的輸出特性

我們將討論一種鋰離子電池充電器，這是由于它具有幾個(gè)充電階段，而這些我們已經(jīng)討論過的概念可以被輕松地應(yīng)用到其他充電器化學(xué)技術(shù)中去。圖 2 顯示的是其與充電器輸出電壓 VSYS 相關(guān)聯(lián)時(shí)充電器的電流情況。如果沒有電池并且充電器沒有通電，則初始電壓為 0V。當(dāng)向充電器加電時(shí)，由于輸入與輸出之間存在內(nèi)部上拉電阻（~500 Ohms），充電器的輸出電壓開始上升。短路模式低于 1 伏，其設(shè)計(jì)目的是最小化 OUT 引腳短路期間的功耗。

一旦高于短路閾值 (0.8～1.4V)，充電器便會(huì)進(jìn)入預(yù)充電模式。預(yù)充電對(duì)深度放電的電池進(jìn)行恢復(fù)，或決定該電池組是否受到破壞以及是否需要終止充電。預(yù)充電電流約為快速充電電流的 1/10，但是某些充電器可以單獨(dú)編程控制這一水平。預(yù)充電模式在 ~3V 時(shí)轉(zhuǎn)為快速充電恒定電流，這時(shí)便獲得了編程控制快速充電恒定電流。充電器決不會(huì)提供比這種編程控制電流電平更多的電流。電壓在 4.2V 時(shí)達(dá)到恒定電壓模式后，輸出得到調(diào)節(jié)，并且能夠提供達(dá)到編程控制電流電平的電流。如果負(fù)載電流降至終止閾值，則充電終止，除非終止功能失效。

圖 2 鋰離子充電概述——充電電流和電壓輸出

表 1 列出了每一個(gè)階段的電流。

既然我們知道有多少電流來自充電器，那么就需要一個(gè)系統(tǒng)負(fù)載分析來確認(rèn)設(shè)計(jì)是否適合無電池運(yùn)行。

表 1 充電模式和可用電流及功率

系統(tǒng)負(fù)載特性

電阻性負(fù)載會(huì)吸收電流，該電流與施加的電壓成比例關(guān)系，并且可出現(xiàn)在上電階段。在無電池上電時(shí)，低于 125 Ohms (ISINK = 1V/125 Ohms = 8mA) 的電阻可以阻止充電器退出短路模式。

一般而言，一個(gè) DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器在其輸入電壓接近其調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)才被啟用。由于轉(zhuǎn)換器的輸出電壓固定，因此其負(fù)載通常恒定不變，這樣其輸入電流便與其電壓成反比關(guān)系。圖 3 中的兩條曲線顯示了流入一個(gè) 1.8V 和 3.3V DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電流與輸入電壓之間的對(duì)比關(guān)系。您可以看到，電壓上升則電流下降，反之亦然。

一般來說，電容性負(fù)載在轉(zhuǎn)換器的輸入端并不是一個(gè)問題，同時(shí)它會(huì)減緩上電，除非一個(gè)定時(shí)事件結(jié)束從而引起重置或進(jìn)一步加載。上電時(shí)轉(zhuǎn)換器輸出的電容性負(fù)載可能會(huì)帶來峰值功率要求，同時(shí)如果該轉(zhuǎn)換器具有軟啟動(dòng)特性，則這種負(fù)載可以降低。

脈沖負(fù)載會(huì)加給其他靜態(tài)負(fù)載，并且這種情況隨時(shí)可能發(fā)生，因此我們?cè)谶M(jìn)行無電池操作時(shí)應(yīng)該特別注意，要確定峰值負(fù)載不會(huì)超過可用充電器源電流。

圖 3 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入電流與輸入電壓的關(guān)系：A）錯(cuò)誤的上電順序；B）正確的上電順序

源電流和系統(tǒng)負(fù)載電流對(duì)比

應(yīng)該考慮的對(duì)比共有兩種：靜態(tài) DC 對(duì)比和實(shí)時(shí)上電及運(yùn)行對(duì)比。DC 對(duì)比只在特定系統(tǒng)電壓下將系統(tǒng)負(fù)載電流與可用充電器源電流對(duì)比。圖 3 顯示了系統(tǒng)電壓變化時(shí)的總負(fù)載電流和可用充電器電流。上電初始，電阻性負(fù)載電流接近于可用充電器的短路電流。因此，設(shè)計(jì)人員或許想確保輸出電壓能夠充電至預(yù)充電區(qū)域。在預(yù)充電中，當(dāng) 1.8V 轉(zhuǎn)換器在 1.6V 開啟時(shí)，總電流會(huì)略微超過預(yù)充電電流。一種解決方案是在 VSYS = 1.8V 時(shí)開啟該轉(zhuǎn)換器，這樣負(fù)載電流就會(huì)下降，所圖 3b 所示。同樣地，3.3V 轉(zhuǎn)換器可在 2.8V 開啟。延遲開啟直至 VSYS 達(dá)到 3.1V，將會(huì)把加負(fù)載移動(dòng)到快速充電區(qū)域中，從而防止出現(xiàn)加載問題。既然已經(jīng)分析了靜態(tài)問題，最好是馬上進(jìn)行一次運(yùn)行測(cè)試。

實(shí)時(shí)運(yùn)行對(duì)比有助于理解負(fù)載瞬態(tài)時(shí)間，并確定峰值負(fù)載不會(huì)超過可用源電流。將系統(tǒng)負(fù)載連接至一個(gè)實(shí)驗(yàn)室電源就可以進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試。在回路中插入一個(gè) 100m Ohm 電阻，并設(shè)置電源電壓為 4.2V。如圖 4 所示連接示波器探針，以捕獲電壓和電流。使用單序列觸發(fā)器時(shí)，設(shè)置示波器到電壓波形，并開啟實(shí)驗(yàn)室電源。利用熱插拔，可重復(fù)該測(cè)試。通過電流觸發(fā)（剛好設(shè)定在充電器編程控制電流閾值以下）可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，同時(shí)以系統(tǒng)各種運(yùn)行模式來運(yùn)行系統(tǒng)。應(yīng)該在整個(gè)系統(tǒng)的 VSYS 運(yùn)行范圍中進(jìn)行這種測(cè)試。如果示波器得到觸發(fā)，則需檢查電流脈沖并確定負(fù)載是否過高。

圖 4 捕獲實(shí)時(shí)工作電流與電壓波形關(guān)系的設(shè)置

系統(tǒng)：可運(yùn)行、循環(huán)開/關(guān)或鎖閉（崩潰）

沒有電池時(shí)理想的運(yùn)行模式是可用充電器電流始終高于系統(tǒng)負(fù)載電流，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。在這種模式下，系統(tǒng)電容充電至調(diào)節(jié)電壓，快速充電電流逐漸減小至與系統(tǒng)負(fù)載電流相等。只要系統(tǒng)電流低于編程控制的快速充電電流，系統(tǒng)就會(huì)保持在這種穩(wěn)定的狀態(tài)模式下。如果負(fù)載電流超過了可用充電電流，則進(jìn)入循環(huán)或鎖閉狀態(tài)，這是由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在低系統(tǒng)電壓下需要更高的電流。如果系統(tǒng)電壓下降使得轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，則系統(tǒng)電壓會(huì)在下一個(gè)過電流負(fù)載以前恢復(fù)。這種循環(huán)模式一般被稱為“打嗝”模式。

無電池運(yùn)行或測(cè)試設(shè)計(jì)技巧

建立一個(gè)與表 1 相類似的表格，或繪制一幅如圖 3 所示的充電器電流曲線圖，以便定義系統(tǒng)的絕對(duì)最大負(fù)載邊界。在系統(tǒng)電壓范圍內(nèi)所有運(yùn)行模式下運(yùn)行系統(tǒng)，并定義可以開啟的系統(tǒng)，以及處于最大負(fù)載邊界以下的時(shí)間。最佳解決方案是只在充電器處在快速充電模式下時(shí)才開啟系統(tǒng)。絕不要讓負(fù)載大于有效最小快速充電功率（例如：表 1 中 3 瓦特的快速充電模式）。由于充電器輸出功率和系統(tǒng)負(fù)載功率均為 VSYS 的函數(shù)，因此您可以比較該功率或電流得出相同的結(jié)論。

因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該讓系統(tǒng)功率要求維持在最小充電器功率輸出以下，或者使峰值系統(tǒng)電流要求維持在編程控制充電器輸出電流以下，以此來保證連續(xù)的系統(tǒng)運(yùn)行。

總結(jié)

由于電池始終都可以用作任何可能出現(xiàn)的峰值負(fù)載的備用電源，因此利用適配器和電池驅(qū)動(dòng)電子產(chǎn)品十分簡(jiǎn)單。唯一的問題是，平均充電器電流大于平均負(fù)載電流，這樣電池便不會(huì)被放電了。如果需要無電池運(yùn)行，則需要特別注意負(fù)載電流不能超過充電器源電流。否則，系統(tǒng)電壓就可能會(huì)崩潰，并卡在低功率電流限制狀態(tài)。通常，短路和預(yù)充電模式會(huì)是出現(xiàn)問題的地方。避免在這些模式下滿負(fù)載運(yùn)行可以解決大多數(shù)問題。

參考文獻(xiàn)

如欲了解該電池解決方案和其他電池解決方案的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問：www.power.ti.com。

作者簡(jiǎn)介

Charles H. Mauney 現(xiàn)任 TI電池充電器高級(jí)應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)充電器定義、應(yīng)用、培訓(xùn)和支持工作。Mauney 畢業(yè)于新墨西哥州亞柏克爾克市新墨西哥大學(xué) (University of New Mexico in Albuquerque, New Mexico)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位和機(jī)械工程理學(xué)士。