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手把手带你构建一个CC/CV电池充电器

2023-06-26 17:18:23 Irena Zhuravchak,Volodymyr Ilchuk 阅读:
这种高效开关模式的电池充电器适用于一至两节锂离子电池或锂聚合物电池的应用。

本文将介绍如何使用HVPAK SLG47105设计一个简单的电池充电器。所设计的充电器采用恒流/恒压(CC/CV)的方式,是一种高效开关模式的电池充电器,适用于单节至两节锂离子电池或锂聚合物电池的应用。该充电器还包括有安全操作定时器、欠压保护、过流保护和热保护。nO2ednc

工作原理

CC/CV电池充电方式是在充电初始阶段采用恒流充电,在充电后期当电池达到设定的充电量时切换到恒压充电的过程。nO2ednc

CC/CV电池充电方式的优点包括:nO2ednc

  • 快速充电:充电初期采用直流电,可以使电池快速充电,确保更有效地利用时间。
  • 电压控制:一旦达到设定的充电量,恒定的电压有助于避免电池过充,确保一个安全的充电量。
  • 通用性:CC/CV方式可适用于不同类型的电池,如锂离子电池、镍氢电池等,这保证了使用该方式对不同类型电池充电的通用性。
  • 充电效率:CC/CV方式实现了较高的充电效率,因为初期的恒流可以实现最大的充电电流,而后期的恒压可以保证稳定的充电电压。
  • 灵活性:CC/CV方式可以根据电池类型、充电状态和其他因素适应不同的充电要求,从而让充电过程的设置更加灵活。

这种设计还有一个预充电的阶段。这是电池充电过程的第一步,用来减少将用完的电池连接到电源时的初始充电电流。nO2ednc

在放电的过程中,由于电池失去了电势差,内阻可能会很高。当这种被用完的电池连接到充电器时,高充电电流会导致电池端子上产生高电压,从而引发电弧并损坏电池端子或电池。nO2ednc

因此,预充电阶段会运用一开始有限的充电电流充电,而该电流会随着时间的推移稳定的增加,从而避免此类问题。这使得电池可以逐渐的充满电能,因而减少高电流对电池的影响。nO2ednc

预充电阶段普遍地用于电池充电器,特别是汽车充电器和大型电池系统的充电器。它有助于确保电池充电的安全和高效,保护电池在充电初期免受可能发生的损害。nO2ednc

图1显示了锂离子电池的充电曲线。nO2ednc

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图1:锂离子电池充电曲线nO2ednc

图2所示为操作流程图。nO2ednc

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图2:操作流程图nO2ednc

充电器还有一个LED来提示该充电过程:nO2ednc

  • LED熄灭:未充电
  • LED亮起:充电过程中
  • LED闪烁:充电结束

GreenPAK设计

图3显示了GreenPAK设计。完整的设计文件可以点击这里获得nO2ednc

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图3:CC/CV电池充电器GreenPAK设计nO2ednc

如果Vusb被连接,PIN3会检测到它并给ACMP0H上电。ACMP0H检查VDD电压电平:如果高于4.5V,则输出为高电平,所有进程都可以启动。nO2ednc

然后ACMP1H检查Vbat电压。DFF4的输出为高电平,因此没有分压器连接到PIN20(ACMP1H的IN+源)。如果Vbat低于3V,则预充电阶段开始。PWM0发送电流,CCMP0控制电流。在这种情况下,PWM0宏单元的上/下输入为低电平,这意味着我们将从160mV开始为CCMP0 Vref充电(图4)。因此,CCMP0保持约90mA的电流。nO2ednc

只要ACMP1H输出为高电平(Vbat高于3V),DFF4输出就会变为低电平,并且分压器连接到PIN20。恒流阶段开始。在这种情况下,ACMP0H会对4.2V进行比较(不是第一种情况中的3V)。PWM0的上/下输入为高电平,因此CCMP0 Vref为960mV,产生的电流约为550mA。请注意,这些电流限制可以通过改变reg文件中的Vref值或改变连接到引脚5(Sense A)的电阻来改变。nO2ednc

这个CC阶段持续到电池电压达到4.2V(ACMP1H输出为高电平)。然后恒流阶段停止,恒压阶段开始。在这种情况下,ACMP1H控​​制电压恒定为4.2V,CCMP1只是检查并保持电流递减且低于90mA的IBF,直到电池完全充满。当电池充满电时,充电过程停止,所有相应的模块都处于睡眠模式(CHG_Sleep为高电平)。nO2ednc

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图4:CCMP1 Vref 的reg文件数据nO2ednc

此外,一旦检测到Vusb,CNT0/DLY0就会设置安全操作定时器。如果在此期间充电未完成,则CHG_Sleep转为高电平,系统就会断电。该时间由CNT0/DLY0设置,并且可以根据充电器设置和电池类型进行更改。nO2ednc

注:本设计描述了如何为单节电池创建一个CC/CV电池充电器。如果需要为两节电池创建充电器,请务必将VDD2增加到至少10V,并调整分压器来检查Vbat为8.4V(一节电池为4.2V)。nO2ednc

设计测试

图5-7分别显示了预充电、恒流和恒压阶段的充电过程。蓝色代表引脚7和引脚8的输出,红色代表Vbat+,绿色代表引脚5(Sense A)。nO2ednc

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图5:预充电阶段nO2ednc

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图6:恒流阶段nO2ednc

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图7:恒压阶段nO2ednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:How to Build a CC/CV Battery Charger,由Ricardo Xie编译。)nO2ednc

责编:Ricardo
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