精確的恒流調(diào)節(jié)有助于提升快速充電

電池供電設(shè)備是我們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分，這些設(shè)備的充電負(fù)擔(dān)比以往任何時(shí)候都更加受到重視。在過(guò)去幾年中，出現(xiàn)了許多解決充電時(shí)間較長(zhǎng)的新方法，使用戶(hù)能夠在幾分鐘內(nèi)完成充電而不再是幾個(gè)小時(shí)。

本文將重點(diǎn)講述快速充電的趨勢(shì)，以及在充電設(shè)備使用快速、安全、高性?xún)r(jià)比的解決方案更快速充電時(shí)，精確恒定電流(CC)調(diào)節(jié)起到的重要作用。

電池在充電時(shí)通常經(jīng)歷兩個(gè)階段：恒定電流(CC)和恒定電壓(CV)。圖1所示為4.2V鋰離子(Li-ion)電池的典型充電曲線(xiàn)。當(dāng)大部分能量從充電器傳輸?shù)诫姵貢r(shí)，CC大致用于充電的前67%時(shí)間。在剩余充電時(shí)間的最后33%內(nèi)，則是恒定電壓，以充分充電并保持電充滿(mǎn)?？紤]到放電電流，并保持電池電壓完全充電，一些充電器在CV期間泵送小電流(也稱(chēng)為涓流充電)。電池完全充電所需的時(shí)間取決于其容量和最大允許充電電流，是電池化學(xué)和環(huán)境溫度的函數(shù)。例如，如果您有一個(gè)容量為3000mAh，充電率為0.8C的鋰離子電池(其中C表示在一小時(shí)內(nèi)為電池充電所需的電流，這是電池制造商建議延長(zhǎng)電池壽命的默認(rèn)電量)，電池需要兩到三個(gè)小時(shí)才能完全充滿(mǎn)電。

圖1：典型的鋰離子電池充電曲線(xiàn)

后一段描述了一種典型的充電方案，握手次數(shù)不多，充電率正常。最新推出的方法是通過(guò)在CC階段向電池提供更多能量以最大化充電時(shí)間。這些方法使用專(zhuān)利充電算法或采用主流標(biāo)準(zhǔn)，比如USB供電可編程電源(PPS)標(biāo)準(zhǔn)。壁式充電器和設(shè)備都可進(jìn)行連續(xù)握手，智能傳達(dá)電池的需求并使充電效率最大化。

兩種主要的快速充電方式分別是高電壓和低電流(傳統(tǒng)方法)、高電流和低電壓(新主流趨勢(shì))。第一種方法使用現(xiàn)有的充電線(xiàn)，并將電流限制在約2A，同時(shí)將電壓提高到15V。該方法的問(wèn)題是設(shè)備側(cè)電壓轉(zhuǎn)換階段的散熱高，從而導(dǎo)致電池壽命縮短，可轉(zhuǎn)移到電池的最大允許能量減小。

第二種方法使用接近電池電壓的電壓，以及可以直接流向電池的較高電流。這種方法通常被稱(chēng)為直充或閃充。該方法允許在較低溫度下實(shí)現(xiàn)更高的充電率，因?yàn)槠骷?cè)無(wú)電壓轉(zhuǎn)換。然而，閃充需要特殊的充電線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的電流流動(dòng)。這個(gè)想法是嘗試以盡可能接近最大允許速率的速率對(duì)電池充電，以最小化充電時(shí)間。

考慮到閃充的冷卻器溫度曲線(xiàn);它越來(lái)越受歡迎，大多數(shù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)都采用它。圖2所示為閃充系統(tǒng)的高級(jí)框圖。

圖2：閃充解決方案的高級(jí)框圖

如圖2所示，精確的電流控制回路是必要的，用以實(shí)現(xiàn)更快的充電時(shí)間，并可在其它模塊(電池充電器和燃油表已使用類(lèi)似模塊)之上添加額外保護(hù)層。雖然您可以集成電流檢測(cè)功能，但是很難匹配達(dá)到專(zhuān)用電流檢測(cè)解決方案使用小分流電阻最大限度減少了散熱而提供的精度水平，也很難匹配達(dá)到監(jiān)控高邊電流的能力。

提供各種適用于閃充的專(zhuān)用電流傳感器。這些解決方案包括INA210系列，其可在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提供極好的精度;INA199具有精度和成本的絕佳組合;和新型INA181系列，它在帶寬、精度和價(jià)格方面提供最佳價(jià)值。在這個(gè)應(yīng)用中，INA181較寬的350kHz閉環(huán)帶寬使得能夠檢測(cè)到CC信號(hào)的快速波紋——出于電池保護(hù)和安全的需要，它所包含的信息可用于最大化CC，并通過(guò)最小化保護(hù)帶來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3所示為從壁式充電器的輸出看到的典型閃充信號(hào)。

圖3：閃充電流曲線(xiàn)示例

總而言之，當(dāng)今快速充電方法的主要局限是散熱靠近電池，這限制了所能傳送的最大允許能量，從而限制了充電時(shí)間最小化。此外，高溫有引起安全問(wèn)題和電池壽命降低的擔(dān)憂(yōu)。閃充發(fā)展?jié)摿艽?，因?yàn)樗试S在相對(duì)較冷的溫度下進(jìn)行高水平的能量傳遞，同時(shí)最大化充電效率并最小化充電時(shí)間。實(shí)現(xiàn)這種高效率需要精確的電流控制回路，這通過(guò)專(zhuān)用電流傳感器更好地實(shí)現(xiàn)。

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