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带频率同步输入的高压电池充电器

2019-3-25 21:49:46 2547 电池充电器

具有高灵敏度模拟前端（AFE）电路的电池供电设备通常必须在有源电池充电的情况下运行。设备示例是移动软件定义的无线电，便携式超声医学成像系统和可穿戴的患者监测设备。根据应用，AFE电路可以工作在200kHz到数百MHz的频率范围内。高灵敏度AFE电路可能是移动无线电中的中频级或超声成像设备中的相控阵收发器。当使用带开关模式充电器的有源电池充电时，充电器开关频率会产生不必要的谐波辐射，从而降低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放置并最小化切换拍频，否则会降低系统灵敏度。该技术通常用于开关模式电源（SMPS），用于负载点DC-DC调节，其中功率调节器与外部时钟源同步。SMPS因其高效率而被广泛使用，但它们存在独特的排放挑战。频率同步解决了SMSP负载点应用中的这个问题，也可以扩展到开关模式充电器。

然而，对于频率同步，高效率，开关模式电池充电器，设计选择是有限的。因此，工程师经常使用线性充电器，这些充电器噪音低但效率低，散热量大。或者，工程师可以使用效率高，但不支持同步或不在宽输入电压范围内工作的次优开关模式充电器解决方案。

给电池充电

这里介绍的电路解决了电池充电的这种需求。该电路是一款高压，高效，恒流/恒压，开关模式锂离子（Li +）电池充电器，具有频率同步功能。电路性能已经在24V下进行了测试，但可以在低至7V和高达44V的电压下工作。（44V是我实验室供应的限制。）开关频率设置为500kHz。的MAX17504降压型DC-DC转换器支持频率同步在200kHz至2.2MHz。可能必须针对其他频率调整电感值。

为Li +电池充电需要两步法（图1）。

对于放电电池，第一步要求充电器处于恒流模式。可以在电池制造商的数据表中获得最大充电率。快速充电或1C速率是等于电池的安培小时额定值的充电电流。当电池正在充电时，电池电压达到指定的设定点电压，通常为4.2 V.此时，电池容量仅达到其最大值的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，充电器仅提供足够的电流，以使电池电压保持恒定在此设定点电压。结果，充电电路将持续降低充电电流随时间的推移，导致充电电流曲线逐渐衰减，如图1所示。

图1.恒流/恒压Li +充电曲线。

电路设计

该电路的核心是DC / DC开关转换器U1（图2）。MAX17504具有4.5V至60V的宽输入电压工作范围，可与200kHz至2.2MHz的外部时钟频率同步。该设计理念已经过测试，可以从24V输入电压为4.2V至2.2Ah Li +电池的单节电池充电。当电池负载电流小于预设充电电流设定值VIchg时，充电器处于恒压模式，因为积分器U3的输出将被驱动至+ Vf; 因此，关闭Q1。因此，通过R4的电流将接近零并且充电电压设定为（R2 / R1 + 1）×0.9V。在恒流模式下，电流控制环路由U2和U3构成，其中充电器电流由U3引脚3上的电压设置。U2是电流检测放大器，用于测量RS两端的电流，并为U3形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。此操作会降低转换器的输出电压，从而减少电池的电流。

该反馈回路将通过积分器的伺服动作基于电池的放电状态找到限流操作点。该电路在24V 下的测试电流精度（在25 ° C时）小于1.6％。通过向VIchg施加0.450V，输出电流设置为1.5A。VIchg可以来自不同的源，例如来自MCU或DAC输出的固定电压基准或PWM滤波输出。为VIchg提供低噪声电压源非常重要。

该充电器是独一无二的，因为它可以将开关频率与外部时钟同步，并且具有宽输入电压工作范围。当电路处于恒流模式时，电池充电电流由公式1设置。

我充电=（VIchg / CSA增益）/ R SENSE

（等式1）

其中，MAX4173T的 CSA增益为20，该电路中的R SENSE为0.015Ω。

图2.该电池充电器提供恒定电流/恒定电压和频率同步输入。