锂离子电池电路负载共享设计总结,电路案例+优缺点

发布日期:2024-07-10     38 次

今天给大家分享的是:锂离子电池电路负载共享设计的优缺点。

一、锂电池设计-不应该做什么?

在设计第一个锂离子电池充电器时,你的第一直觉设计可能是下面这个图,简单明了,但是将负载与电池并联会有很多潜在的问题和危险。

锂离子电池设计图

很多锂离子电池充电器Datasheet实际上建议下面这种方案。BQ2410C充电芯片的Datasheet显示了与电池并联的负载。

【BQ24103ARHLR PDF数据手册】_中文资料_引脚图及功能_(德州仪器 TI)-采芯网

与电池并联的负载

这个设置在某些情况是适用的,但是对大部分设计都不是一个好的方法。

原因很简单。如果充电器的输出直接连接到电池和系统负载的其余部分,那么就没有办法检测到进入电池的电流。如果系统吸收足够大的负载开始降低电压轨本身,问题就会变严重。

主要问题在于计费算法的最后部分,IC检测充电电流什么时候停止充电,如果系统正在消耗电流,充电器可能永远不会关闭,从而损坏电池。

下面将讨论3个锂离子电池充电器电路,设计会更复杂,但是会更安全和有效。

二、充电时禁止用系统负载

最简单的锂离子电池充电器电路就是在充电时简单地禁用系统输出,在日常生活中的很多产品都比较常见,尤其是在使用过程中消耗大量电流的产品,例如:便携式真空吸尘器。

最简单的方法就是简单地使用一个与电池串联的MOS管为系统负载供电,输入电源控制MOS管的栅极,当你插入电源时,MOS管关闭,断开系统负载。

标准“并行”充电方案的简单改进

由于系统负载只有在不充电时才有电,因此系统设计的其余部分会变得相对简单,你可以根据当前使用的电源来处理不同的情况。

优点:

  • 主要组件,快速为电池充电,充电器只为电池充电。

  • 只需要在电池负载条件下注意电路

缺点:

  • 充电时不允许使用系统

三、让负载在充电时接受输入电源

这种锂离子电池充电器与前面的很相似,但是有2个地方不同。

  • 不仅使用MOS管,还通过二极管将输入电源传递到负载。通过将FET栅极串联连接到输入电源和二极管(通常时肖特基二极管),系统负载在充电时从输入电源获取电力,需要二极管来防止电池反馈到输入源,你也可以使用MOS理想二极管替换该二极管来降低压降。

  • 添加了一个与另一个附加的P MOS管,这可以防止输入电源通过体二极管直接为电池充电。

锂电池设计

通过添加一个与输入电源串联的肖特基二极管,你可以让系统负载在充电时有电。使用这个方法最重要的是要了解电源的局限性。

例如:

  • 一个标注的5V USB是主要输入,可以提供~500mA。

  • 有一块1000mAH 锂离子电池,最大充电率为 0.5C(500mA),最大放电率为 1C(1A)。

  • 充电IC以最大300mA的电池充电(主要发生在充电周期的恒流部分)

  • 根据状态,负载可以使用 50mA 到 500mA 之间的任何地方。

不插电时,负载完全由电池供电,没有任何限制,能够完全吸收500mA。插入电路板进行充电,在恒流模式下,USB电源提供大约300mA的电流。意味着系统的其余部分只有200mA可用。设计正确的下游系统设计对于防止电源损坏非常重要。

这个方案通常会要求你将VUSB馈送到系统微控制器中,这样的话,你可以计算充电时间,确保不会发生过载情况。

优点:

  • 相比之前的方法没有复杂多少,仍然只需要几个部分

  • 允许系统在充电时使用

缺点:

  • 负载有可能使输入充电电源过载,从而造成损坏。

  • 系统必须要知道何时充电,但这样会让设计变得更为复杂

  • 要求系统考虑输入电源和电池之间的电压差异

四、使用电源路径进行负载共享

这是目前方法里面比较好的,吸收了现有方法的优点,去除了主要的缺点。

BQ2403X是具有电源路径的充电IC示例

在电池和系统负载之间采用了MOS管开关,不是在充电时简单地切断电源而是使用DPPM(动态电源路径管理)

也就是说,充电时,IC将从墙上电源为系统负载供电,就像示例2中的一样,如果系统负载消耗的电量超过墙上电源的供电能力,就会切换允许电池组供电上差异,因此,无论充电与否,电源路径都可以提供相同的电源。

这样的话简化了系统设计,可以不用担心电池和充电源之间的电流限制,只要电池能够提供那么大的电流,IC就会处理。

同时还有许多简洁的功能,比如在充电时立即为系统负载供电,即使电池甚至放电也是这样。

但是需要注意一件事情,大多数都在硅胶中内置了MOS管,你必须要确保IC的电流限制对你的设计来说是比较高的,有些使用外部MOS管。这可以允许选择高功率MOS管。

优点:

  • 允许系统在充电时优点

  • 消除输入充电电源的电源限制

  • 不用担心电源,IC完全可以处理

缺点

  • 价格更好

  • 零件要求需要比较小

在设计锂离子电池的电路时,需要考虑很很多事情,通常电如何与充电器负载会被忽视。

这里讨论用于负载共享的各种锂离子电池充电器电路。在许多设计中,无需再充电时使用设备,对于这种情况,在充电时禁用系统负载是一种成本低且简单的解决方案。

如果系统负载始终需要电源,则电源必须来自充电器或者电池,根据电源要求,必须使用直接从充电器供电或者使用智能电源路径IC的电源。


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