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[经验] 具有频率同步输入的高压蓄电池充电器

2020-1-6 15:50:31  200 模拟前端 AFE
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具有高灵敏度模拟前端(Afe)电路电池动力设备必须经常在主动电池充电的情况下工作。设备的例子是移动软件定义的收音机,便携式超声医学成像系统,和可穿戴的病人监控设备。根据应用程序的不同,AFE电路可以工作在200 kHz至数百MHz的频率范围内。在超声成像设备中,高灵敏度的AFE电路可能是移动无线电相控阵收发器的中频级。当采用有源电池充电与开关模式充电器,充电器开关频率可以产生不必要的谐波排放,降低AFE灵敏度。

频率同步的作用
频率同步可用于控制开关谐波的位置,并最小化否则会降低系统灵敏度的开关拍频率。这种技术经常用于负载点直流调节的开关模式电源(开关电源),其中功率调节器与外部时钟源同步。SMP由于其高效率而被普遍使用,但它们提出了独特的排放挑战。频率同步解决了SMSP负载点应用程序中的这个问题,并且可以扩展到开关模式充电器。

然而,对于频率同步、高效率、切换模式的电池充电器,其设计选择是有限的.因此,工程师经常使用低噪声的线性充电器,但效率不高,散热过度。或者,工程师可以使用不理想的开关模式充电器解决方案,这是高效率,但不支持同步或不操作在一个广泛的输入电压范围。

充电电池
这里介绍的电路满足了电池充电的这一需要。该电路是一种高电压、高效率、恒流/恒压、开关式锂离子(Li+)电池充电器,具有频率同步功能.该电路性能已在24V测试,但可以工作在7V和高达44V。(44v是我实验室供应的限制。)开关频率设置为500 kHz。这个
MAX 17504[tr]降压式DC-DC变换器支持200 kHz到2.2MHz的频率同步.电感值可能必须根据其他频率进行调整。

给Li+电池充电需要两步(图1).
  • 对于已放电的电池,第一步要求充电器处于恒流模式.最大充电率可在电池制造商的数据表中获得。快速充电,或1C速率,是一个充电电流,等于电池的安培小时额定值。当电池充电时,电池电压达到指定的设定点电压,通常为4.2伏。此时,电池容量仅达到最大值的65%至70%。
  • 作为充电过程的第二步,将充电器置于恒压模式.在恒压模式下,充电器将只提供足够的电流来维持电池在此设定电压下的电压恒定。因此,充电电路将随着时间的推移不断减少充电电流,导致充电电流剖面的逐渐衰减,如图1所示。

[图1.恒流/恒压Li+电荷剖面图.
电路设计

这个电路的核心是DC/DC开关变换器U1(图2)。MAX 17504具有宽的输入电压工作范围,从4.5V到60V,可以同步到外部时钟频率从200 kHz到2.2MHz。该设计思想已在24V的输入电压范围内对单电池4.2V充电到2.2Ah Li+电池进行了测试。当电池负载电流小于预置充电电流设定点VIchg时,充电器处于恒压模式,积分器U3的输出将被驱动到+VF,因此偏置Q1关闭。因此,通过R4的电流接近于零,充电电压为(R2/R1+1)×0.9V。在恒流模式下,电流控制回路由U2和U3构成,其中充电器电流由U3的引脚3上的电压设定。U2是一个电流感测放大器,它测量整个RS的电流,并向由U3构成的积分器提供误差电压。当U2的输出电压试图超过VIchg时,积分器的输出将降低其电压,并开始将Q1源电流偏置到反馈节点。这一动作降低了转换器的输出电压,从而减少了电池的电流来源。
该反馈回路通过积分器的伺服作用,根据电池的放电状态确定电流极限工作点。测试电流精度(25度)°该电路在24V时小于1.6%。通过对VIchg施加0.450V,将输出电流设置为1.5A。该VIchg可以来自不同的来源,如固定电压基准或PWM滤波输出的单片机或DAC输出。对于VIchg来说,有一个低噪声的电压源是很重要的.
这种充电器是独特的,因为它可以同步开关频率与外部时钟,它有一个宽的输入电压工作范围。电池充电电流由
方程式1当电路处于恒流模式时。
电荷=(VIchg/CSA增益)/R感觉
(Eq.1)
的CSA收益MAX 4173T等于20,而R感觉在这个电路中是0.015Ω。

图2.此电池充电器提供恒流/恒压频率同步输入.

王栋春 2020-1-6 21:39:32
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