充电器生产厂家分析镍电和锂电的充电管理的权衡因素。

2020-09-02 17:17 ryder

摘要
携带式电子产品设计工作人员能够选取各式各样的化学技术、充电器拓扑和充电管理解决方法。选取1个更加适合的解决方法应该是一种非常简单的工作,可是在大部分情况下这个过程甚为繁杂。设计工作人员必须在性能、成本、尺寸和别的关键要求层面寻找1个最好均衡点。文中将为众多设计工作人员和技术工程师出示一点辅导和协助以使得该选取工作变得更加轻松。
 
以3“C”开始完成充电控制
 
所有采用可充电电池的系统设计工作人员都必须清楚一点基础性设计技术,以保证满足接下来3个关键的要求:
 
1、电池容量:全部的电池充电解决方法都需要保证在每次和每一个充电周期时间都能将电池容量充至充满状态。太早的停止充电会造成充电电池运作时间减少,这也是如今高功耗的便携式设备所不期望的。
 
2、充电电池安全性能:不容置疑,终端产品用户安全是全部系统设计中最优先考虑到的问题。大部分锂离子(Li-Ion)电池组和锂聚合物(Li-Pol)电池组都带有保护电子线路。殊不知,还有一点系统设计必须考虑到的首要条件。当中包含但不限于保证在锂离子电池充电最终阶段期间±1%的稳压容限、安全处理深层放电充电电池的预备处理模式、安全计时器和充电电池温度检测。
 
3、充电电池使用寿命:遵照建议的充电算法是保证终端产品用户完成每个电池组最多充电周期时间的关键一步。利用电池温度和电压限制每次充电、预备处理深层放电充电电池并避免过迟或异常充电停止是最大化充电电池使用寿命所必须的一点步骤。
表1充电控制总结
 
充电电池化学技术的选取
 
如今系统设计工作人员能够在多种充电电池化学技术中进行选取。设计工作人员通常会依据接下来的一点标准进行充电电池化学技术的选取,当中包含:
 
能量密度
 
成本
 
规格和尺寸
 
采用方式和使用寿命
 
无论怎样选取那类充电电池化学技术,遵照每一种充电电池化学技术的正确充电管理技术都是至关重要的。这些技术将保证充电电池在每次和每个充电周期时间都能被充至最大容量,而不会降低安全性能或减少充电电池使用寿命。
 
近些年,尽管采用锂离子电池和锂聚合物电池的趋势增强,可是Ni充电电池化学技术依然是许多消费电子产品是1个非常好的选择。
 
NiCd/NIMH
 
在一个充电周期开始以前,并且尽量在开始快速充电以前对镍镉(NiCd)電池和镍氢(NiMH)電池必须要进行检测和调整。如果电池电压或温度超出了限制的極限是不允许进行快速充电的。出于安全考虑,对所有“热”電池(一般高于45°C)的充电运作都将暂时停止,直至電池冷却到正常工作温度范畴内才会再次运转。要想解决一个“冷”電池(一般低于10°C)或过度放电的電池(每节电池一般是低于1V),需要施加一个温和的点滴式电流。当然还有一种-△V的方式是目前最为广泛应用的,通过电池在整个充电过程中伴随的一种负压现象,通过控制芯片捕捉对应的值来判断电池的充电情况,和作为识别停充触发的依据。这种方式也是目前主流的判停方式。
 
当电池温度和电压正确时快速充电开始。一般是用1C或更低的恒定电流对NiMH電池进行充电。一部分NiCd電池可以用高达4C的速率进行充电。选用恰当的充电停止来防止有危害的过充电。
 
就镍基可充电电池来讲,快速充电停止依托于电压或温度。如图1所示,典型的电压停止方式是最高值电压检测,在最高值时即每个電池的电压在0~-4mV范畴内,快速充电被停止。依托于温度的快速充电停止方式是观测电池温度上升率ΔT/Δt来检测完全充电。典型的ΔT/Δt率为1°C/每分钟。


图1镍電池化学技术的充电曲线
 
锂离子/锂聚合物电池
 
与NiCd電池和NiMH電池相相似,在快速充电以前尽量检测并调整锂离子电池。检验和解决方式与所述应用的方式相相似。
 
如图2所示,检验和预处理以后,先用一个1C或更低的电流对锂离子电池进行充电,直至電池达到其充电电压極限为止。该充电环节一般是会补充高达70%的电池电量。随后用一个一般是为4.2V的恒定电压对電池进行充电。为将安全系数和电池电量,必须要将充电压稳定在至少±1%。在此充电期间,電池汲取的充电电流慢慢降低。就1C充电率来讲,如果电流电平降低到初始充电电流的10-15%以下充电一般是就会停止。
图2锂离子电池化学技术充电曲线
 
开关模式与线性充电拓扑的对比
 
传统上来讲,手持式设备都应用线性充电拓扑。该方式具备众多优势:低执行成本、设计方案简捷以及无高频开关的无噪音运作。但是,线性拓扑会提升系统功耗,尤其是当电池电量更高造成的充电率提升的时候。如果设计方案人员没法监管设计方案的导热问题,这就会成为一个关键缺陷。
 
人们听见开关模式这个专业术语时大部分人都会联想到大型IC、大PowerFET以及超大型电感!实际上,尽管针对处理数十安培电流的应用来讲的确是这样,但是针对手持式设备的全新一代解决方案来讲情况就不一样了。全新一代单体锂离子开关模式充电器采用了最高级别的芯片集成,高于1MHz的使用频率以最小化电感尺寸。图1说明了如今市场上已开始销售的此类解决方案。该硅芯片的尺寸不到4mm2,其集成了高侧和低侧PoweRFET。鉴于采用了3MHz开关频率,该解决方案要求一个小型1uH电感,其外形尺寸仅为:2mmx2.5mmx1.2mm(WxLxH)。
 
当PCUSB端口做为电源时,则会出现别的一些缺点。如今在很多携带式设计方案上都具备USB充电选择项,并且都可以提供高达500mA的充电率。就线性解决方案来讲,鉴于其效率较低,可以从PCUSB传输的“电能”量就被大幅度降低,进而导致了充电时间过长。
这就是开关模式拓扑有立足之地的原因。开关模式拓扑的关键优点在于效率的提高。与线性稳压器不同,电源开关(或多个开关)在饱和的区域内运行,其大幅度降低了整体耗损。降压转换器中功率耗损的关键包括开关损耗(在电源开关中)以及滤波电感中的DC耗损。根据设计方案参数的不同,在这些应用中出现效率大大高于95%的情况就不足为奇了。

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