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USB端口对NiMH电池智能充电的实现

发布时间:2014-12-26 14:43:15  来源:大电流电感厂家   查看:

图4. 功耗等于电池充电电流乘以调整管两端的电压。

对应5V标称输入电压,调整器件消耗的功率与电池类型、数量和电池电压有关。

图5. 采用5.0V电压的USB端口对NiMH电池充电时,线性调整器件的功耗。
图5. 采用5.0V电压的USB端口对NiMH电池充电时,线性调整器件的功耗。

  标称输入电压为5.0V时,线性USB充电器对NiMH电池充电的功耗计算结果如图5所 示。对单节电池充电时,线性充电器的效率仅为30%;对两节电池充电时,效率为60%。用500mA电流对单节电池充电时,功耗会高达2W。这样的功耗大电流电感通 常需要加散热器。功耗为2W时,热阻为+20°C/W的散热器在+25°C环境温度下会被加热至大约+65电感厂家°C,要得到满额性 能,还需要有流动空气来协助其散热。处于空气静止的封闭空间内,温度会更高。

  采用基于开关调节器的充电器可解决多个问题。首先,与线性充电器相比,能够以更快的速率、更大的电流对电池进行充电(图6)。由于功耗较低、发热较少,热管理方面的问题也减少了。同时,由于运行温度降低,充电器更加可靠。

图6. 对单节NiMH电池充电时,线性充电器和开关充电器的充电时间不同。
图6. 对单节NiMH电池充电时,线性充电器和开关充电器的充电时间不同。

  图6中的计算结果基于以下条件和假设得到:采用高功率USB口最大允许电流(500mA)的大约90%充电;开关调节器采用非同步整流的buck转换器,具有77%效率。

电路实例

  图7所示电路是用于单节NiMH电池充电的开关模式降压型调节器。它采用DS2712充电控制器调节充电电流和终止充电。充电控制器监视温度、电池电压和电池电流。如果温度超过+45°C或者低于0°C,控制器不会对电池充电。

Figure 7. Schematic shows a single-cell NiMH charging from a USB port.
图7. USB端口对单节NiMH电池快速充电的原理图。

  如图7所示,Q1是降压型充电器的开关功率晶体管;L1是滤波电感;D1是续流或整流二极管。输入电容C1为 10µF、超低ESR的陶瓷滤波电容。用钽电容或者其它电解电容替代C1会使充电器的性能降低。R7是电流调节器检测放大器的检流电阻。 DS2712的基准电压为0.125V,并具有24mV滞回。通过CSOUT提供闭环、开关模式电流控制。充电控制引脚CC1将Q2的栅极拉低时,使能 Q1的栅极驱动。Q1和Q2均为低Vt (栅-源门限电压)的pMOSFET。CC1和CSOUT均为低电平时,Q2的漏-源电压将稍大于Vt。该电压以及CSOUT的正向压降构成了Q1的栅极 开关电压。

  CC1为低电平时,启动电流闭环控制。图8所示为启动开关时的波形。上方波形是0.125Ω (检流电阻两端的电压,下方波形是Q1漏极至GND的电压。开始时,当Q1打开(CC1和CSOUT均为低电平)时,电感电流向上爬升。当电流增大到使检 流电阻两端的电压达到0.125V时,CSOUT变为高电平,开关关断。此后,电感电流开始下降,直到检流电阻两端的电压达到约0.1V,模压电感CSOUT又变 为低电平。只要CC1为低电平,该过程将一直持续。

图8. USB NiMH充电器的启动波形。
图8. USB NiMH充电器的启动波形。

  DS2712的内部状态机控制着CC1的工作。充电开始时,DS2712先对电池进行状态测试,以确保电池电压在1.0V至 1.65V之间,并确认温度在0°C至+45°C之间。如果电压低于1.0V,DS2712将以0.125的占空比拉低电感式位移传感器CC1,对电池缓 慢充电,以防损坏电池。一旦电池电压超过1.0V后,状态机转为快充模式。快充时占空比为31/32,即大约97%。“跳过”的 间隙内进行电池阻抗测试,以确保不会对错误放入充电器的高阻抗电池(例如碱性电池)进行充电。检测到-2mV的-ΔV后,快充结束。如果未检 测到-ΔV,将持续快充,直到快充定时器超时,或检测到过温或者过压故障状态(包括阻抗不合格)为止。快充完成(由于-ΔV或快 充定时器超时) 后,DS2712进入定时补足充电模式,占空比为12.5%,持续时间为所设快充定时的一半。补足充电完成后,充电器进入维持模式,占空比为1/64,直 到电池被拿走或重新上电。平面变压器厂家 | 平面电感厂家

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