具有频率同步输入的高压电池充电器

该电路是一款具有频率同步功能的高压、高效率、开关模式电池充电器。该电路适用于对谐波发射敏感的电池供电应用。

介绍

具有高灵敏度模拟前端 （AFE） 电路的电池供电设备通常必须在有源电池充电的情况下运行。设备示例包括移动软件定义无线电、便携式超声医学成像系统和可穿戴患者监测设备。根据应用的不同，AFE电路可以在200kHz至数百MHz的频率范围内工作。高灵敏度AFE电路可以是移动无线电中的中频级，也可以是超声成像设备中的相控阵收发器。当使用开关模式充电器进行有源电池充电时，充电器开关频率会产生不必要的谐波发射，从而降低AFE灵敏度。

频率同步的作用

频率同步可用于控制开关谐波的位置，并最大限度地减少开关拍频，否则会降低系统灵敏度。这种技术通常用于开关模式电源（SMPS）的负载点DC-DC调节，其中电源稳压器与外部时钟源同步。SMPS因其高效率而被广泛使用，但它们带来了独特的排放挑战。频率同步解决了SMSP负载点应用中的这个问题，也可以扩展到开关模式充电器。

然而，频率同步、高效率、开关模式电池充电器的设计选择有限。因此，工程师经常使用低噪声但效率低且散热过多的线性充电器。或者，工程师可以使用效率高、不支持同步或不能在宽输入电压范围内工作的次优开关模式充电器解决方案。

为电池充电

这里介绍的电路解决了电池充电中的这一需求。该电路是一款具有频率同步功能的高压、高效率、恒流/恒压、开关模式锂离子 （Li+） 电池充电器。电路性能已在24V下测试，但可在低至7V和高达44V的电压下工作。 （44V是我实验室电源的限制。开关频率设定为500kHz。MAX17504降压型DC-DC转换器支持200kHz至2.2MHz的频率同步。电感值可能必须针对其他频率进行调整。

Li+电池充电需要两步法（图1）。

对于已放电的电池，第一步要求充电器处于恒流模式。最大充电速率可在电池制造商的数据手册中获得。快速充电或 1C 速率是等于电池安培小时额定值的充电电流。电池充电时，电池电压达到指定的设定点电压，通常为 4.2 V。此时，电池容量仅达到其最大值的65%至70%。

作为充电过程的第二步，将充电器置于恒压模式。在恒压模式下，充电器将仅提供足够的电流以保持电池电压在此设定点电压下恒定。因此，充电电路将随着时间的推移不断降低充电电流，导致充电电流曲线逐渐衰减，如图1所示。

图1.恒流/恒压Li+充电曲线。

电路设计

该电路的核心是 DC/DC 开关转换器 U1（图 2）。MAX17504具有4.5V至60V的宽输入电压工作范围，可同步至200kHz至2.2MHz的外部时钟频率。该设计理念已经过测试，可从 24V 输入电压为单节 4.2V 至 2.2Ah Li+ 电池充电。当电池负载电流小于预设充电电流设定点VIchg时，充电器置于恒压模式，积分器U3的输出将被驱动至+Vf;因此，偏置Q1。因此，通过R4的电流将接近于零，充电电压由（R2/R1 + 1）设定×0.9V。在恒流模式下，电流控制环路由U2和U3形成，其中充电器电流由U3引脚3上的电压设定。U2 是一种电流检测放大器，用于测量 RS 两端的电流，并向 U3 形成的积分器提供误差电压。当U2的输出电压试图超过VIchg时，积分器的输出将降低其电压，并开始将Q1源电流偏置到反馈节点。此操作可降低转换器的输出电压，从而减少源至电池的电流。

该反馈回路将通过积分器的伺服动作，根据电池的放电状态找到限流工作点。该电路在24V时的测试电流精度（25C时）小于1.6%。通过向VIchg施加0.450V，输出电流设置为1.5A。VIchg 可以来自不同的来源，例如固定电压基准或来自 MCU 或 DAC 输出的 PWM 滤波输出。为VIchg提供低噪声电压源非常重要。°

该充电器的独特之处在于它可以将开关频率同步到外部时钟，并且具有较宽的输入电压工作范围。当电路处于恒流模式时，电池充电电流由公式1设置。

 

I 电荷 = （VIchg/CSA 增益）/R意义

（公式1）

 

其中，MAX4173T的CSA增益为20，R意义本电路为0.015Ω。

图2.该电池充电器提供恒流/恒压和频率同步输入。

审核编辑：郭婷