【導(dǎo)讀】親愛(ài)的，我的充電器在哪里？就目前而言，這可能是生活中最常見(jiàn)的問(wèn)題了。世紀(jì)之交，電池（尤其是基于鋰離子的電池）成本的降低和性能的提高，推動(dòng)了電池供電的儲(chǔ)能和便攜式設(shè)備的穩(wěn)步增長(zhǎng)。此外，超級(jí)電容器由于具有獨(dú)特的性質(zhì)，也越來(lái)越多地用于各種應(yīng)用。
鉛酸電池是一項(xiàng)已有150年歷史的技術(shù)，至今仍廣泛用于汽車(chē)、輪椅、踏板車(chē)、高爾夫球車(chē)和不間斷電源(UPS)系統(tǒng)。一旦能量耗盡，這些儲(chǔ)能設(shè)備必須重新充電。2019年，全球充電IC出貨量為11.6億顆，預(yù)計(jì)2024年將增長(zhǎng)至17.2億顆，年增長(zhǎng)率為 8.6%，相當(dāng)健康。收入分別為5181億美元和7354億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為7.3%。圖1顯示了這一趨勢(shì)，其來(lái)自O(shè)MDIA的“電源IC市場(chǎng)跟蹤 - 2019年”。
圖1.全球充電IC市場(chǎng)
對(duì)更多電力、更長(zhǎng)續(xù)航里程或運(yùn)行時(shí)間的需求，要求提高儲(chǔ)能設(shè)備使用的電壓。例如，機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)工具和許多其他事物中使用的鋰離子電池堆已經(jīng)從一兩個(gè)電池單元增加到多個(gè)（最多12個(gè)）電池單元。一個(gè)12芯鋰離子電池堆可提供最大50.4 V的電壓。在相同電流額定值下，12芯電池的續(xù)航時(shí)間是1芯電池的12倍。或者，可以將12節(jié)電池并聯(lián)以獲得更高的功率，但這種方法會(huì)使電流增加12倍。更高的電流會(huì)導(dǎo)致更多的傳導(dǎo)損耗，因此不宜采用并聯(lián)電池。
帶備用電池的應(yīng)急照明、UPS備用電源、HVAC等工業(yè)系統(tǒng)使用24 VDC電源，即使用24 V電池來(lái)為這些系統(tǒng)提供備用電源。然而，根據(jù)IEC 61131-2和IEC 60664-1標(biāo)準(zhǔn)，24 VDC電源在瞬態(tài)條件下可升至60 V峰值電壓。
在任何一種情況下，設(shè)備都要求充電器解決方案能夠適應(yīng)更高電池電壓，并能承受瞬態(tài)事件期間的更高輸入電壓。
充電器有許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。線性充電器通過(guò)功率開(kāi)關(guān)降低電源和電池之間的電壓差。此類(lèi)充電器效率最低，因?yàn)楫?dāng)電源和電池之間的電壓差很大時(shí)，功率開(kāi)關(guān)會(huì)消耗大量功率。升壓充電器將來(lái)自電源的電壓升壓到電池電壓。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求電源電壓低于電池電壓。降壓充電器對(duì)來(lái)自電源的電壓進(jìn)行降壓，并要求電源電壓高于電池電壓。升壓-降壓充電器可以使用高于或低于電池電壓的電源電壓為電池充電。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要四個(gè)功率開(kāi)關(guān)（降壓拓?fù)渲恍枰獌蓚€(gè)），而且效率一般不高。
同步整流降壓充電器效率最高，是本文的重點(diǎn)。圖2顯示了一個(gè)通用同步整流降壓充電器電路。如今，大多數(shù)降壓充電器都在相對(duì)較低的電壓下運(yùn)行。許多充電器的額定輸入電壓僅為28 V，有些為40 V。如果允許±10%的輸入電壓調(diào)節(jié)和2 V的降壓充電器壓降，那么額定值28 V的充電器實(shí)際上只能為5S鋰離子電池堆（最大）充電。我們將研究一個(gè)新的60 V輸入充電器IC系列，它支持更高充電電壓——電池電壓高達(dá)52 V（或12芯鋰離子電池堆），并且可以承受65 V的輸入電壓瞬變。
圖2.通用同步整流降壓充電器
充電器的待機(jī)電流應(yīng)很低以節(jié)省能源。Energy Star?規(guī)定待機(jī)功耗為30 mW或更少的手機(jī)充電器和其他小型充電器為五星。一星適用于待機(jī)功耗為300 mW或更高的充電器，其他星級(jí)適用于介于兩者之間的其他充電器。Energy Star旨在降低個(gè)人充電器的功耗，這些充電器在不使用時(shí)大多也不會(huì)拔下來(lái)。在任何特定時(shí)間，全球有超過(guò)10億個(gè)此類(lèi)充電器連接到電網(wǎng)。
盡管鉛酸電池、鋰離子電池和超級(jí)電容器都是儲(chǔ)能設(shè)備，但它們的充電/放電特性明顯不同。我們將考察這些特性，并討論每個(gè)特性的充電解決方案。一個(gè)好的電池充電器可提供良好的電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時(shí)。
鉛酸電池是現(xiàn)存最古老的可充電電池，1859年由法國(guó)醫(yī)生Gaston Planté發(fā)明。一百五十年后，它仍然廣泛用于汽車(chē)、輪椅、踏板車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、高爾夫球車(chē)和UPS系統(tǒng)。
鉛酸電池必須緩慢充電。典型充電時(shí)間為8到16小時(shí)。電池必須始終以充電狀態(tài)存儲(chǔ)，定期進(jìn)行完全飽和充電對(duì)于防止硫酸鹽化至關(guān)重要。通常的做法是在大約8小時(shí)內(nèi)將鉛酸電池充電至70%，然后再用8小時(shí)進(jìn)行最重要的補(bǔ)足充電。如果鉛酸電池不時(shí)接受完全飽和充電以防止硫酸鹽化，則部分充電也沒(méi)問(wèn)題。讓電池長(zhǎng)時(shí)間處于浮動(dòng)充電狀態(tài)不會(huì)造成損壞。
找到理想的充電電壓限值至關(guān)重要。高電壓（高于2.45 V/單元）可產(chǎn)生良好的電池性能，但由于正極板上的板柵腐蝕，電池使用壽命會(huì)縮短。低電壓限值會(huì)造成負(fù)極板硫酸鹽化。溫度也會(huì)影響電池電壓，溫度系數(shù)典型值為–5 mV/°C（每10°F每電池單元0.028 V）。好的充電器必須補(bǔ)償此溫度系數(shù)，以避免電池在高溫時(shí)過(guò)度充電或在低溫時(shí)充電不足。
例如， MAX17702 （參見(jiàn)圖3）是一款完整的鉛酸電池充電器控制器，設(shè)計(jì)支持4.5 V至60 V的輸入電壓范圍。該器件提供高效率（超過(guò)97%）、高電壓、同步降壓解決方案，可為12 V/24 V/48 V鉛酸電池組充電。圖4a和4b顯示了其充電周期和充電效率。
圖3.高壓鉛酸電池充電器控制器
圖4a.MAX17702鉛酸充電周期
圖4b.MAX17702充電效率
鉛酸電池能量密度低，不適合便攜式設(shè)備。便攜式設(shè)備需要鋰電池。
由于重量輕和高能量密度，鋰離子電池是普遍接受的用于便攜式應(yīng)用、重工業(yè)、電驅(qū)動(dòng)和衛(wèi)星的電池。
鋰離子電池的維護(hù)工作量很少。這種電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，不需要故意完全放電就能保持良好狀態(tài)。但它需要保護(hù)電路，電池堆內(nèi)部和充電器均需要，以防止短路、過(guò)充、熱失控和過(guò)度放電。鋰離子電池如果在1.5 V/單元以下保持一周或更長(zhǎng)時(shí)間，就可能產(chǎn)生枝狀晶體，影響安全性。
為防止過(guò)度放電，內(nèi)置電池保護(hù)電路將電池置于睡眠狀態(tài)。當(dāng)電池在放電狀態(tài)下儲(chǔ)存，自放電使電壓降至截止點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生上述情況。常規(guī)充電器將這樣的電池視為無(wú)法使用，電池包通常被丟棄。高級(jí)鋰離子充電器具有喚醒特性或“預(yù)充電”功能，可以對(duì)由于過(guò)度放電而進(jìn)入睡眠狀態(tài)的鋰離子電池充電。在預(yù)充電模式中，充電器應(yīng)用很小的充電電流以將電壓安全提升到2.2 V/單元與2.9 V/單元之間，從而激活保護(hù)電路，然后開(kāi)始正常充電。
在正常充電期間，鋰離子充電器以恒流恒壓(CCCV)模式運(yùn)行。充電電流是恒定的，電壓達(dá)到設(shè)定限值時(shí)便不再上升。達(dá)到電壓限值時(shí)，電池飽和，電流下降到電池不能再接受進(jìn)一步的充電為止，此時(shí)充電終止。每個(gè)電池都有自己的低電流閾值。
鋰離子電池在充電時(shí)應(yīng)始終保持涼爽。鋰離子電池不能吸收過(guò)多電荷。因此，監(jiān)控電池溫度及其充電電壓以確保電池健康和安全非常重要。良好的充電器必須包含這些特性。
圖5給出了高級(jí)鋰離子電池充電器的例子。MAX17703 是一款高效率、高電壓、同步、降壓充電器控制器，設(shè)計(jì)支持4.5 V至60 V的寬輸入電壓范圍。該器件為最多12芯鋰離子電池堆提供了完整的充電解決方案。
圖5.高級(jí)高電壓鋰離子電池充電器電路
該器件分別為±4％和±1％時(shí)提供精確的CCCV充電電流/電壓。當(dāng)充電電流減小到收尾電流閾值時(shí)，充電器進(jìn)入補(bǔ)充充電狀態(tài)；收尾定時(shí)器周期結(jié)束后，充電器退出充電狀態(tài)。當(dāng)輸出電壓低于充電閾值電壓時(shí)，充電器啟動(dòng)充電周期。這是一個(gè)很棒的特性，可以讓長(zhǎng)時(shí)間留在充電座上的電池保持滿電狀態(tài)，而不會(huì)消耗太多電力，并且符合Energy Star要求。該器件可以檢測(cè)和預(yù)處理深度放電電池，利用預(yù)充電特性將其喚醒。為了提供更多保護(hù)，該器件會(huì)檢測(cè)電池溫度，使得充電只能在規(guī)定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。它還有一個(gè)輸入短路保護(hù)特性，用于在輸入意外短路時(shí)防止電池放電。圖6顯示了MAX17703的充電周期。
圖6.MAX17703鋰離子電池充電周期
超級(jí)電容器相比電池有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此越來(lái)越多地用于各種應(yīng)用。超級(jí)電容器依據(jù)靜電原理工作，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，避免了與電池化學(xué)存儲(chǔ)相關(guān)的壽命問(wèn)題。其高耐用性允許數(shù)百萬(wàn)次的充/放電循環(huán)，使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年，比電池高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。其低阻抗支持快速充電和放電，幾秒鐘便可完成。另外，它還有適度的長(zhǎng)時(shí)間保持電荷的能力，這一切使超級(jí)電容器非常適合需要快速充放電循環(huán)的應(yīng)用。超級(jí)電容器還能與電池并聯(lián)使用，從而支持負(fù)載轉(zhuǎn)換期間需要瞬時(shí)峰值功率傳輸?shù)膽?yīng)用。
超級(jí)電容器的快速充放電循環(huán)要求充電器能夠處理大電流，在充電過(guò)程中以恒流(CC)模式平穩(wěn)工作，充電可能從0 V開(kāi)始，一旦達(dá)到最終輸出值，則以恒壓(CV)模式工作。在高電壓應(yīng)用中，許多超級(jí)電容器串聯(lián)在一起，需要充電器來(lái)管理高輸入和輸出電壓。
MAX17701 （參見(jiàn)圖7）是一款高效率、高電壓、同步、降壓超級(jí)電容充電器控制器，專(zhuān)為大電流充電而設(shè)計(jì)，可在4.5 V至60 V的輸入電壓范圍(VDCIN)內(nèi)工作。輸出電壓可編程，范圍為1.25 V至(VDCIN–4 V)。該器件利用外部N-MOSFET提供輸入電源側(cè)“邏輯或”功能，防止超級(jí)電容器放電回到輸入端。圖8顯示了簡(jiǎn)單但電流很高的充電曲線。
圖7.高電壓、大電流超級(jí)電容充電器
圖8.MAX17701超級(jí)電容充電曲線
電池供電的儲(chǔ)能和便攜式設(shè)備的使用穩(wěn)步增長(zhǎng)。對(duì)更多電力、更長(zhǎng)續(xù)航里程或運(yùn)行時(shí)間的需求，要求提高電池堆使用的電壓。在使用24 VDC電源的工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用中，瞬態(tài)條件下可以看到60 V峰值電壓。傳統(tǒng)充電器解決方案大多以28 V輸入為限。得益于高電壓同步降壓充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ADI公司的新型充電器解決方案可實(shí)現(xiàn)更高的電池堆電壓和充電效率。
鉛酸電池、鋰基電池和超級(jí)電容器都是儲(chǔ)能設(shè)備，具有非常不同的充電/放電特性，需要專(zhuān)用充電器才能獲得最優(yōu)充電解決方案。高級(jí)電池充電器還提供充分的保護(hù)以保障電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時(shí)。這些在較新的充電器解決方案中也得到解決。
（來(lái)源：亞德諾半導(dǎo)體）
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