該電路是一款具有頻率同步功能的高壓、高效率、開(kāi)關(guān)模式電池充電器。該電路適用于對(duì)諧波發(fā)射敏感的電池供電應(yīng)用。

介紹

具有高靈敏度模擬前端 （AFE） 電路的電池供電設(shè)備通常必須在有源電池充電的情況下運(yùn)行。設(shè)備示例包括移動(dòng)軟件定義無(wú)線電、便攜式超聲醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和可穿戴患者監(jiān)測(cè)設(shè)備。根據(jù)應(yīng)用的不同，AFE電路可以在200kHz至數(shù)百M(fèi)Hz的頻率范圍內(nèi)工作。高靈敏度AFE電路可以是移動(dòng)無(wú)線電中的中頻級(jí)，也可以是超聲成像設(shè)備中的相控陣收發(fā)器。當(dāng)使用開(kāi)關(guān)模式充電器進(jìn)行有源電池充電時(shí)，充電器開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生不必要的諧波發(fā)射，從而降低AFE靈敏度。

頻率同步的作用

頻率同步可用于控制開(kāi)關(guān)諧波的位置，并最大限度地減少開(kāi)關(guān)拍頻，否則會(huì)降低系統(tǒng)靈敏度。這種技術(shù)通常用于開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）的負(fù)載點(diǎn)DC-DC調(diào)節(jié)，其中電源穩(wěn)壓器與外部時(shí)鐘源同步。SMPS因其高效率而被廣泛使用，但它們帶來(lái)了獨(dú)特的排放挑戰(zhàn)。頻率同步解決了SMSP負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用中的這個(gè)問(wèn)題，也可以擴(kuò)展到開(kāi)關(guān)模式充電器。

然而，頻率同步、高效率、開(kāi)關(guān)模式電池充電器的設(shè)計(jì)選擇有限。因此，工程師經(jīng)常使用低噪聲但效率低且散熱過(guò)多的線性充電器?；蛘?，工程師可以使用效率高、不支持同步或不能在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作的次優(yōu)開(kāi)關(guān)模式充電器解決方案。

為電池充電

這里介紹的電路解決了電池充電中的這一需求。該電路是一款具有頻率同步功能的高壓、高效率、恒流/恒壓、開(kāi)關(guān)模式鋰離子 （Li+） 電池充電器。電路性能已在24V下測(cè)試，但可在低至7V和高達(dá)44V的電壓下工作。 （44V是我實(shí)驗(yàn)室電源的限制。開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為500kHz。MAX17504降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器支持200kHz至2.2MHz的頻率同步。電感值可能必須針對(duì)其他頻率進(jìn)行調(diào)整。

Li+電池充電需要兩步法（圖1）。

對(duì)于已放電的電池，第一步要求充電器處于恒流模式。最大充電速率可在電池制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲得。快速充電或 1C 速率是等于電池安培小時(shí)額定值的充電電流。電池充電時(shí)，電池電壓達(dá)到指定的設(shè)定點(diǎn)電壓，通常為 4.2 V。此時(shí)，電池容量?jī)H達(dá)到其最大值的65%至70%。

作為充電過(guò)程的第二步，將充電器置于恒壓模式。在恒壓模式下，充電器將僅提供足夠的電流以保持電池電壓在此設(shè)定點(diǎn)電壓下恒定。因此，充電電路將隨著時(shí)間的推移不斷降低充電電流，導(dǎo)致充電電流曲線逐漸衰減，如圖1所示。

圖1.恒流/恒壓Li+充電曲線。

電路設(shè)計(jì)

該電路的核心是 DC/DC 開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器 U1（圖 2）。MAX17504具有4.5V至60V的寬輸入電壓工作范圍，可同步至200kHz至2.2MHz的外部時(shí)鐘頻率。該設(shè)計(jì)理念已經(jīng)過(guò)測(cè)試，可從 24V 輸入電壓為單節(jié) 4.2V 至 2.2Ah Li+ 電池充電。當(dāng)電池負(fù)載電流小于預(yù)設(shè)充電電流設(shè)定點(diǎn)VIchg時(shí)，充電器置于恒壓模式，積分器U3的輸出將被驅(qū)動(dòng)至+Vf;因此，偏置Q1。因此，通過(guò)R4的電流將接近于零，充電電壓由（R2/R1 + 1）設(shè)定×0.9V。在恒流模式下，電流控制環(huán)路由U2和U3形成，其中充電器電流由U3引腳3上的電壓設(shè)定。U2 是一種電流檢測(cè)放大器，用于測(cè)量 RS 兩端的電流，并向 U3 形成的積分器提供誤差電壓。當(dāng)U2的輸出電壓試圖超過(guò)VIchg時(shí)，積分器的輸出將降低其電壓，并開(kāi)始將Q1源電流偏置到反饋節(jié)點(diǎn)。此操作可降低轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，從而減少源至電池的電流。

該反饋回路將通過(guò)積分器的伺服動(dòng)作，根據(jù)電池的放電狀態(tài)找到限流工作點(diǎn)。該電路在24V時(shí)的測(cè)試電流精度（25C時(shí)）小于1.6%。通過(guò)向VIchg施加0.450V，輸出電流設(shè)置為1.5A。VIchg 可以來(lái)自不同的來(lái)源，例如固定電壓基準(zhǔn)或來(lái)自 MCU 或 DAC 輸出的 PWM 濾波輸出。為VIchg提供低噪聲電壓源非常重要?！?/p>

該充電器的獨(dú)特之處在于它可以將開(kāi)關(guān)頻率同步到外部時(shí)鐘，并且具有較寬的輸入電壓工作范圍。當(dāng)電路處于恒流模式時(shí)，電池充電電流由公式1設(shè)置。

其中，MAX4173T的CSA增益為20，R意義本電路為0.015Ω。

圖2.該電池充電器提供恒流/恒壓和頻率同步輸入。

審核編輯：郭婷