優(yōu)化DS2715電池充電器的負(fù)載切換功能

摘要：智能充電器IC集成了電池負(fù)載開關(guān)功能，非常適合于低成本應(yīng)用。充電電源移除后，DS2715電池充電器IC對電池負(fù)載進(jìn)行智能檢測，無縫地向所連接的負(fù)載保持供電。本應(yīng)用筆記詳細(xì)描述了幾個(gè)優(yōu)化DS2715性能的應(yīng)用電路。具體來說，文中給出了一個(gè)DS2715連接到非連續(xù)負(fù)載的應(yīng)用電路，以及一個(gè)由電池直接為負(fù)載供電的電路。

引言

DS2715相比其他充電IC獨(dú)特之處在于，它通過單個(gè)晶體管為電池包提供了充電和放電路徑。該功能結(jié)合可為10節(jié)電池進(jìn)行充電的特性，使它成為非常適合用于各種電池供電設(shè)備的充電解決方案中。本應(yīng)用指南闡述了DS2715如何控制調(diào)節(jié)晶體管，同時(shí)描述了優(yōu)化DS2715應(yīng)用電路時(shí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取的調(diào)整措施。本文首先詳細(xì)討論了一個(gè)3節(jié)電池組的典型應(yīng)用電路。隨后，還介紹了兩個(gè)替代電路：一個(gè)是將DS2715連接到不連續(xù)負(fù)載的改進(jìn)電路，另一個(gè)是直接由電池為負(fù)載供電的電路。

典型應(yīng)用電路

圖1為3節(jié)電池組的典型開關(guān)模式應(yīng)用電路(本應(yīng)用筆記中描述的所有例子也適用于線性模式電路)。當(dāng)連接充電電源時(shí)，它通過D1直接為負(fù)載和DS2715供電。然后DS2715照常執(zhí)行充電功能。當(dāng)充電電源斷開時(shí)，充電電流停止，電池通過寄生二極管Q1為DS2715供電。同時(shí)也經(jīng)由這條通路提供負(fù)載電流。如果負(fù)載電流導(dǎo)致檢測電阻兩端電壓超過10mV (典型值，在SNS+和SNS-端之間測得)，并且VDD大到足以維持正常工作，DS2715進(jìn)入放電模式。


圖1. 典型開關(guān)模式應(yīng)用電路

在放電模式下，VCH拉低且Q1完全導(dǎo)通。此時(shí)，負(fù)載電流從寄生二極管Q1切換到漏-源通路。當(dāng)VDD不足，從而導(dǎo)致DS2715進(jìn)入上電復(fù)位狀態(tài)時(shí)，Q1不導(dǎo)通且其寄生二極管為負(fù)載提供了唯一的放電通路。應(yīng)該指出的是，對于采用3節(jié)電池為負(fù)載供電的配置，DS2715在電池的大多數(shù)有效放電周期內(nèi)都處于不工作的復(fù)位狀態(tài)。這是因?yàn)閁VLO (欠壓鎖定)電壓是3.9V，而電池的額定電壓是3.6V。因此，放電模式應(yīng)至少采用四節(jié)電池串聯(lián)。一旦成功進(jìn)入放電模式，還應(yīng)該考慮負(fù)載斷開或再次連接充電電源時(shí)會出現(xiàn)什么情況。

如果DS2715處于放電模式時(shí)再次連接充電電源，充電電源將為負(fù)載供電且DS2715重新開始充電。如果放電模式下負(fù)載斷開，基本上沒有電流從電池流出。剩下的電流就包括DS2715電源電流(小于200μA)以及VCH吸收的電流。該電流主要隨電池電壓和Q1偏置電路變化，通常為5mA至10mA。參考DS2715的放電鎖存置位和復(fù)位門限，可以明顯看出置位參數(shù)和復(fù)位參數(shù)之間存在滯回。因此，5mA至10mA的電流不足以退出放電模式。除非充電電流導(dǎo)致SNS+和SNS-之間有-10mV的壓降，否則DS2715將一直處于放電模式。放電模式不受VBATT影響，將一直保持，直到VDD低于UVLO加滯回門限。

典型應(yīng)用電路的瞬態(tài)性能

當(dāng)充電電源移除時(shí)，電池應(yīng)開始為負(fù)載供電從而使電壓不至于過多地下降。剛開始，如果負(fù)載連接時(shí)，寄生二極管Q1和二極管D4提供電池與負(fù)載之間的電流通路。如果電流足以置位放電閉鎖，則VCH拉低，并且在Q1內(nèi)部電容充完電后完全導(dǎo)通。VCH的狀態(tài)變化發(fā)生時(shí)間為1μs。當(dāng)去耦電容C1和C2放電時(shí)，負(fù)載連接點(diǎn)從充電電源電壓變化電池電壓。圖2為充電電源移除時(shí)負(fù)載點(diǎn)的變化狀態(tài)。為了使DS2715維持足夠的VDD，采用四節(jié)電池并使用470μF電容代替C1，以去耦500mA負(fù)載電流。


圖2. C1 = 470μF，充電電源移開時(shí)，4節(jié)電池開關(guān)模式電路的瞬態(tài)特性

基本應(yīng)用電路適合無需放電模式的3節(jié)電池或少于3節(jié)電池的應(yīng)用場合，也適合4節(jié)電池應(yīng)用。然而，4節(jié)電池電路也有一個(gè)缺點(diǎn)，電池將很少充電，并且電路將在一段時(shí)間內(nèi)長期處于放電模式。在這種情況下，維持Q1于放電模式所消耗的靜態(tài)電流將消耗更多的電池能量。在4節(jié)電池應(yīng)用中，如果負(fù)載在相當(dāng)大一部分時(shí)間內(nèi)是不使用的，且希望電池持續(xù)工作很多天或更長時(shí)間，則需要對基本電路進(jìn)行些許改動即可提高性能。這些修改相當(dāng)于為2節(jié)和3節(jié)電池應(yīng)用增加了放電模式的功能。

應(yīng)用電路的改進(jìn)

當(dāng)電池?zé)o需長時(shí)間且頻繁為負(fù)載供電時(shí)，在待機(jī)時(shí)應(yīng)盡量減少電池的損耗，以延長電池壽命。DS2715的典型應(yīng)用電路可以加以修改，僅需增加一個(gè)晶體管和幾個(gè)無源器件，就可顯著改善其性能，從而更加適合連接到不連續(xù)工作負(fù)載的應(yīng)用。圖3為改進(jìn)后的電路。


圖3. 改進(jìn)后的開關(guān)模式應(yīng)用電路，適用于DS2715連接非連續(xù)負(fù)載的應(yīng)用

第一個(gè)重要的修改是增加了Q5。Q5應(yīng)采用RDS(ON)非常低的pFET，以最大程度提高效率。其VGS應(yīng)根據(jù)電路和負(fù)載要求進(jìn)行選擇。理想情況是，選擇Q5時(shí)應(yīng)注意使其VGS在最低有效電池電壓時(shí)保持Q5處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電池電壓下降到低于有效的限制時(shí)，VGS額定值將關(guān)閉Q5，有助于限制電池的過充電。此特性對于大多數(shù)電路并非必須，這是由于發(fā)生過充之前負(fù)載往往早已掉電，鎳氫電池具有一定的耐過充性能。Q5應(yīng)滿足所可能遇到的最高電壓，同時(shí)也應(yīng)該能夠處理最大負(fù)載電流以及相應(yīng)的功耗。電路中的R8用于確保充電電源移除時(shí)Q5處于導(dǎo)通狀態(tài)。R11是Q5切換瞬態(tài)時(shí)擺率控制電路的一部分，或使用其他器件代替以提供FET必需的ESD (靜電放電)保護(hù)。

另一處必要的修改是將R1與D1的陽極斷開，連接至陰極，直接由充電電源為DS2715供電。這樣，當(dāng)電池為負(fù)載供電時(shí)，DS2715將掉電，Q5將作為負(fù)載開關(guān)。當(dāng)DS2715掉電且負(fù)載斷開時(shí)，只有小的漏電流和電池本身的自放電會導(dǎo)致電池容量的減少。DS2715掉電時(shí)，同時(shí)也復(fù)位內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，重新啟動充電周期，而這一過程在典型應(yīng)用電路(圖1)中由Q2完成。電路經(jīng)改進(jìn)后，即使少于4節(jié)電池，電池也可正常放電，否則在放電狀態(tài)沒有足夠的電能為DS2715供電。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)好處是可以選擇獨(dú)立的充電和放電晶體管，以優(yōu)化那些對于不同功能最為重要的特性。之前已經(jīng)提到過負(fù)載連接晶體管的重要特點(diǎn)。對于開關(guān)模式應(yīng)用中的Q1，要求采用低VGS的晶體管，以優(yōu)化包括Q3在內(nèi)的簡單自舉關(guān)斷輔助電路。此外，在低RDS(ON)和低柵極電荷之間進(jìn)行合理的妥協(xié)將實(shí)現(xiàn)總功耗足夠低的電路。對于線性模式調(diào)節(jié)晶體管，功耗通常是最重要的因素。

由于電路中電池直接連接負(fù)載，因此建議電源電壓過低時(shí)負(fù)載自行關(guān)閉。如果連接一個(gè)電阻負(fù)載，負(fù)載將會引起電池的過放電。

改進(jìn)后應(yīng)用電路的性能

下圖為充電電源移除后改進(jìn)應(yīng)用電路的瞬態(tài)響應(yīng)。圖4為C1處安裝22μF鋁電解電容時(shí)的曲線。圖5為該電容值變?yōu)?70μF時(shí)的曲線。負(fù)載FET開啟時(shí)，負(fù)載電壓從充電電源電壓切換到電池電壓。此時(shí)，負(fù)載電流是500mA的吸入電流。充電電源移除之前電壓為9V，為負(fù)載和充電器供電。在這兩個(gè)圖中，上部曲線對應(yīng)負(fù)載節(jié)點(diǎn)電壓，下部曲線對應(yīng)Q5柵極的電壓。這兩個(gè)電壓是以地為參照的。


圖4. C1 = 22μF時(shí)，改進(jìn)后的應(yīng)用電路在移除充電電源后的瞬態(tài)波形


圖5. C1 = 470μF時(shí)，改進(jìn)后的應(yīng)用電路在移除充電電源后的瞬態(tài)波形

C1為22μF時(shí)，出現(xiàn)略低于電池電壓的下沖。去耦電容容值增加至470μF可消除電池、負(fù)載和電路采用這一特殊配置時(shí)的下沖。

直接用電池為負(fù)載供電

在某些情況下，未必可以采用充電電源電壓和電池組電壓同時(shí)位負(fù)載供電未必嫩夠滿足要求。負(fù)載可直接由電池供電，但必須考慮幾個(gè)因素。圖6為直接用電池為負(fù)載供電的電路。


圖6. 應(yīng)用電路原理圖，帶有可選負(fù)載連接

負(fù)載必須按圖所示方法接地，以保證在電池充電期間得到預(yù)期的充電電流(負(fù)載電流不會流經(jīng)R7檢流電阻)。同時(shí)，由于負(fù)載直接連接到電池，因此沒有必要使用DS2715的放電模式或省去了開通Q1的偏置電路所消耗的其他電流。因此，移除R1/C3濾波器連接，將DS2715的VDD直接與充電電源連接， 因此當(dāng)充電電源移除時(shí)，DS2715將復(fù)位。在這一電路中，一旦充電完成，所有負(fù)載電流，除了通過D2/R2的電流，必須由電池提供，無論充電電源是否連接。在準(zhǔn)備好進(jìn)行新的充電周期之前，應(yīng)用電路應(yīng)完全由電池供電。

在這一電路中，充電電路除檢測電阻外還作為負(fù)載電流的流經(jīng)通路，因此，所有元件必須嫩購應(yīng)對最壞情況下的充電電流和負(fù)載電流。開關(guān)模式下，有必要根據(jù)額外負(fù)載電流及其對開關(guān)性能影響來重新調(diào)節(jié)關(guān)閉Q1的自舉電路。如果充電期間有可能移開電池，即使存在箝位元件，也應(yīng)采取預(yù)防措施確保負(fù)載能夠承受開關(guān)模式下的感性尖峰。在某些情況下，有必要采用額外的旁路電容或特別注意電路布局。如果需要控制何時(shí)可以開始充電或當(dāng)充電電源仍然存在需要由應(yīng)用控制器停止充電，則電路中可包含Q2和R8，如圖所示。使用Q2來停止充電時(shí)，充電周期就回到在線檢測狀態(tài)。因此，不應(yīng)使用Q2來頻繁地停止和重新啟動充電，因?yàn)檫@可能會導(dǎo)致過充，特別是當(dāng)接近充電周期結(jié)束時(shí)。

結(jié)束語

DS2715為NiMH電池組充電功能的控制提供了一個(gè)獨(dú)特、低成本的方法，同時(shí)還為電池供電應(yīng)用提供了連接負(fù)載的方法。根據(jù)應(yīng)用中電池組數(shù)量及負(fù)載特性，對基本電路進(jìn)行稍許改動可以確保良好的充電和負(fù)載供電特性，以適合多種應(yīng)用。