带有频率同步输入的高压电池充电器

摘要：该电路是具有频率同步功能的高压，高效率，开关模式电池充电器。该电路旨在用于对谐波发射敏感的电池供电应用。

介绍具有高灵敏度模拟前端（AFE）电路的电池供电设备必须经常在有源电池充电的情况下运行。设备示例包括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式患者监护设备。根据不同的应用，AFE电路可以在200kHz至数百MHz的频率范围内工作。高灵敏度AFE电路可能是移动无线电或超声成像设备中相控阵收发器中的中频级。当通过开关充电器对电池进行有源充电时，充电器的开关频率会产生有害的谐波发射，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，并使开关差拍频率最小化，否则会降低系统灵敏度。该技术通常用于开关模式电源（SMPS）中，以实现负载点DC-DC调节，其中电源调节器与外部时钟源同步。SMPS因其高效率而被普遍使用，但它们也带来了独特的排放挑战。频率同步在SMSP负载点应用中解决了这个问题，并且可以扩展到开关模式充电器。
但是，对于频率同步，高效的开关模式电池充电器，设计选择受到限制。结果，工程师经常使用线性充电器，该充电器噪声低但效率低并且会散发过多的热量。或者，工程师可以使用高效率的次优开关模式充电器解决方案，但不支持同步或不能在较宽的输入电压范围内工作。
给电池充电这里介绍的电路解决了电池充电中的这一需求。该电路是具有频率同步功能的高电压，高效率，恒定电流/恒定电压，开关模式锂离子（Li +）电池充电器。电路性能已在24V电压下进行了测试，但可以在最低7V和最高44V的电压下工作。（44V是我实验室电源的限制。）开关频率设置为500kHz。的MAX17504降压在200kHz至2.2MHz DC-DC转换器支持频率同步。电感值可能必须针对其他频率进行调整。
为Li +电池充电需要两步方法（图1）。

对于已放电的电池，第一步要求充电器处于恒定电流模式。可以在电池制造商的数据表中获得最大充电速率。快速充电或1C速率是等于电池电芯安培小时额定值的充电电流。电池充电时，电池电压会达到指定的设定点电压，通常为4.2V。这时，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，请将充电器置于恒定电压模式。在恒压模式下，充电器将仅提供足够的电流以将电池电压保持在此设定点电压不变。结果，充电电路将随着时间不断减小充电电流，从而导致充电电流曲线逐渐衰减，如图1所示。

图1.恒定电流/恒定电压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，可同步至200kHz至2.2MHz的外部时钟频率。该设计思想已经过测试，可从24V输入电压为4.2V至2.2Ah Li +单节电池充电。当电池负载电流小于预设充电电流设定点VIchg时，由于积分器U3的输出将被驱动为+ Vf，因此充电器处于恒压模式。因此，偏置Q1。这样，通过R4的电流将接近于零，并且充电电压由（R2 / R1 +1）×0.9V设置。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是一个电流检测放大器，可测量RS两端的电流并将误差电压提供给由U3形成的积分器。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的拉电流偏置到反馈节点。该动作降低了转换器的输出电压，从而减少了流向电池的电流。
该反馈回路将通过积分器的伺服作用根据电池的放电状态找到限流工作点。该电路在24V下的测试电流精度（在25 ° C时）小于1.6％。通过对VIchg施加0.450V，将输出电流设置为1.5A。VIchg可以来自不同的来源，例如固定电压基准或MCU或DAC输出的PWM滤波输出。为VIchg提供低噪声电压源很重要。
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。当电路处于恒定电流模式时，电池的充电电流由公式1设定。

我充电=（VIchg / CSA增益）/ R SENSE

（式1）

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