【干货】快速充电技术解析及解决方案集锦

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关键词:快速充电

      随着各种蓄电池的广泛使用,快速充电技术已经引起人们的广泛重视。传统的充电方法充电时间过长,且由于充电过程过于简单而会使蓄电池寿命缩短,因此已经面临淘汰。相应的,一些新的快速充电方法开始涌现,并已应用于生产实践中。本文中从快速充电原理、电路特点、相关解决方案及参考设计进行全面解析与分享。

      快速充电原理

      蓄电池的种类很多,目前应用最广的主要是密封铅酸蓄电池和镍镉电池。这2种蓄电池的充放电原理都是一样的,即都是通过化学反应产生正负离子形成电流。

      电池在充放电的过程中会产生氧气,在密封式蓄电池中,这些正极产生的氧气可以通过隔膜和气室被负极吸收,整个化学反应形成一个循环的反应形式。就密封式电池而言,它的内压有限,因此负极的吸收速度也是有限的。如果充电电压过高,正极产生氧气的速度过快,负极的吸收速度跟不上氧气的产生速度,长时间之后必然造成电池失水,从而诱发电池的微短路硫酸化等失效现象,损害电池的质量,缩短其使用寿命。同时高速率充电时电池的极化会造成电池内部压力上升,电池温度上升,电池内阻升高,这不仅会缩短电池寿命,而且有可能对电池造成永久性伤害。蓄电池的这一化学反应原理是研究制定快速充电方法的根本。一方面,快速充电要尽量加快电池的化学反应,使充电速度得到最大的提高;另一方面,又要保证负极的吸收能力,使其能够跟得上正极氧气产生的速度,同时要尽可能消除电池的极化现象。

      提高蓄电池的化学反应速度有2种方式,一是改进蓄电池的结构以降低其内阻和提高反应离子的扩散速度,二是改进蓄电池的充电方法。

      快速充电电路特点

      1、输出电压设定好后(例如36V),若被充电瓶极板脱落断开,造成某组电池不通,或出现短路,则电瓶端电压即降低或为零,这时充电器将无输出电流。

      2、若被充电瓶电压偏离设定电压,如设定电压为36V,误接24V、12V、6V电瓶等,充电器也无输出电流,若设定为24V误接为36V电瓶,由于充电器输出电压低于电瓶电压,因而也不能向电瓶充电。

      3、充电器两输出端若短路时,由于充电器中可控硅SCR的触发电路不能工作,因而可控硅不导通,输出电流为零。

      4、若使用时误将电瓶正负极接反,则可控硅触发电路反向截止,无触发信号,可控硅不导通,输出电流为零。

      5、采用脉冲充电,有利于延长电瓶寿命。由于低压交流电经全波整流后是脉动直流,只有当其波峰电压大于电瓶电压时,可控硅才会导通,而当脉动直流电压处于波谷区时,可控硅反偏截止,停止向电瓶充电,因而流过电瓶的是脉动直流电。

      6、快速充电,充满自停。由于刚开始充电时电瓶两端电压较低,因而充电电流较大。当电瓶即将充足时(36V电瓶端电压可达44V),由于充电电压越来越接近脉动直流输出电压的波峰值,则充电电流也会越来越小,自动变为涓流充电。当电瓶两端电压被充到整流输出的波峰最大值时,充电过程停止。经试验,三节电动车蓄电池36V(12V/12Ah三节串联),用该充电器只需几个小时即可充满。

      7、电路简单、易于制作,几乎不用维护及维修。

      相关快速充电解决方案及参考设计如下文。

      一、TI可编程多化合物快速充电管理参考设计

      描述

      该参考设计是可编程的单片 IC 解决方案,适用于单化学物或多化学物应用中对镍镉 (NiCd)、镍氢 (NiMH) 或锂离子 (Li-Ion) 电池的快速充电管理。其会选用合适的电池化学物(镍或锂),并使用最佳的充电和终止算法执行操作。该过程消除了不良充电、充电不足或过度充电的情况,并确 保快速充电的精确度和安全终止。

      特性

      串联电池数:1S 至 25S

      最大输入电压:25V

      最大充电电流:1A

      拓扑结构:开关模式

      原理图:

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      相关器件:

      1.BQ2000 具有峰值电压检测终端的多化合物、开关模式充电管理 IC

      结构框图:

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      相关终端应用:

      IP 电话:无线

      心电图 (ECG)

      2.BQ24170 1.6MHz 同步开关模式锂离子和锂聚合物独立电池充电器

      功能框图:

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      相关终端应用:

      平板电脑:多媒体

      视频会议:基于 IP 的 HD

      二、安森美快速充电解决方案详解

      随着手机的屏幕越来越大,处理器的性能越来越强并升级多核。为保证续航,手机的电池容量也变大,这样造成充电时间不可避免的变长。如何缩短充电时间已成为手机应用的一大瓶颈。相继出现基于不同厂商的快速充电解决方案,能够短暂的时间内有效提升充电效率。

      1. 方案框图

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      图示 On Semi方案框图

      2.方案特点

      · 通过频率反走和跳周期模式,减少待机功耗

      · 可通过光耦触发低功耗关闭模式

      · 无损过功率补偿

      · 基于定时器的过功率保护

      · 输出短路保护

      · 动态自供电的高压启动

      · 欠压监测功能

      · 有源 X2 电容放电

      · 严重故障时闩锁

      · 自动恢复或闩锁选择的过流保护

      &middot; 空载待机能耗 < 30 mW

      &middot; 可调功率过载保护

      3.本解决方案主要芯片:

      NCP1247是一个新的具有动态自供电功能的固定频率电流模式PWM控制器。

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      NCP1247应用实例框图

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      NCP1247内部结构框图

      详细资料:NCP1247:固定频率电流模式控制器,用于反激式转换器

      NCP4303A / B是一个全功能的控制器和驱动器适合于开关电源电路,实现同步整流。

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      NCP4303应用实例框图

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      NCP4303内部结构框图

      4.On Semi方案照片

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      三、基于FAN501的快速充电解决方案详解

      随着手机的屏幕越来越大,处理器的性能越来越强并升级多核。为保证续航,手机的电池容量也变大,这样造成充电时间不可避免的变长。如何缩短充电时间已成为手机应用的一大瓶颈。相继出现基于不同厂商的快速充电解决方案,能够短暂的时间内有效提升充电效率。

      1.方案框图

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      Fairchild方案框图

      2.方案特点

      &middot; 输出短路保护

      &middot; 毫瓦节省技术提供超低的待机功耗,很容易满足&ldquo;能源之星 V5.0&rdquo;

      &middot; 恒压控制时,根据输入电压,有两段固定的 PWM 工作频率 140kHz/85kHz

      &middot; 高压启动

      &middot; 断续和连续工作模式实现恒流控制,无需次级反馈电路

      &middot; 在连续工作模式有较高的功率密度和转换效率

      &middot; 调频减少 EMI 噪声

      3.本解决方案主要器件:

      FAN501 &mdash;用于充电器应用的离线 DCM/CCM 反激式 PWM 控制器

      此先进的 PWM 控制器 FAN501 简化了要求对输出进行恒流调节的隔离电源的设计。 利用变压器初级端的信息,并通过内部补偿电路进行控制,去除输出电流检测损耗,消除外部 CC 控制电路,从而精确估计输出电流。 具有极低工作电流 (250 &mu;A) 的间歇模式可最大化轻载效率,因此符合世界范围内待机模式效率指导准则。

      产品特性

      1)WSaver? 技术提供能量之星 5 星级 (30 mW) 的超低待机功耗

      2)在非连续导通模式 (DCM) 和连续导通模式 (CCM) 下,无需次级端反馈电路即可实现恒流 (CC) 控制

      3)双频率功能根据输入电压改变开关频率 (140 kHz/85 kHz),从而最大化变压器利用率并提高效率

      4)在典型的 10 W 到 15 W 紧凑型充电器应用中,CCM 模式运行中具有较高的功率密度和转换效率

      5)抖频可降低 EMI 噪声

      6)高压启动

      7)通过外部电阻调整实现恒流调节,从而精确限制最大输出功率

      8)通过斜坡补偿实现峰值电流模式控制,从而避免次谐波振荡

      9)通过外部 NTC 电阻实现闩锁模式下的可编程过温保护

      10)VS过压保护(闩锁模式下),VS欠压保护(自重启模式下),VDD过压保护(自重启模式下)

      11)采用 MLP 4X3 封装

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      FAN501应用框图

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      FAN501功能框图

      4.Fairchild方案照片

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      四、基于TI控制器的快速充电解决方案详解

      随着手机的屏幕越来越大,处理器的性能越来越强并升级多核。为保证续航,手机的电池容量也变大,这样造成充电时间不可避免的变长。如何缩短充电时间已成为手机应用的一大瓶颈。相继出现基于不同厂商的快速充电解决方案,能够短暂的时间内有效提升充电效率。

      1.方案框图

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      TI方案框图

      2.方案特点

      &middot; 少于 10mW 无负载功耗能力

      &middot; 针对恒定电压 (CV) 的光耦合反馈,和针对恒定电流 (CC) 的初级侧调节 (PSR)

      &middot; 在线路和负载上实现 &plusmn;1% 电压调节和 &plusmn;5% 电流调节

      &middot; 700V 启动开关

      &middot; 100kHz 最大开关频率可实现高功率密度充电器设计

      &middot; 针对最高总体效率的谐振环谷值开关运行

      &middot; 简化电磁干扰 (EMI) 兼容性的频率抖动

      &middot; 针对金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的已钳制栅极驱动输出

      &middot; 过压、低线路和过流保护功能

      3.本解决方案主要器件

      UCC28740 具有光电耦合器反馈的恒压、恒流反激控制器

      UCC28740 隔离式反激电源控制器使用一个光耦合器件来提供恒定电压 (CV),从而改进对较大负载阶跃的瞬态响应。 通过初级侧调节 (PSR) 技术实现恒定电流 (CC) 调节。 这个器件处理来自光耦合反馈和辅助反激式绕组的信息,来实现输出电压和电流的精准高性能控制。

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      UCC28740应用框图

      详细资料:UCC28740 恒压、恒流反激控制器

      UCC24610 二次侧同步整流器控制器

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      UCC24610应用框图

       4.TI方案照片

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    (审核编辑: 智汇张瑜)