隨著各種蓄電池的廣泛使用，快速充電技術(shù)已經(jīng)引起人們的廣泛重視。傳統(tǒng)的充電方法充電時(shí)間過長(zhǎng)，且由于充電過程過于簡(jiǎn)單而會(huì)使蓄電池壽命縮短，因此已經(jīng)面臨淘汰。相應(yīng)的，一些新的快速充電方法開始涌現(xiàn)，并已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。本文中從快速充電原理、電路特點(diǎn)、相關(guān)解決方案及參考設(shè)計(jì)進(jìn)行全面解析與分享。
快速充電原理
蓄電池的種類很多，目前應(yīng)用最廣的主要是密封鉛酸蓄電池和鎳鎘電池。這2種蓄電池的充放電原理都是一樣的，即都是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生正負(fù)離子形成電流。
電池在充放電的過程中會(huì)產(chǎn)生氧氣，在密封式蓄電池中，這些正極產(chǎn)生的氧氣可以通過隔膜和氣室被負(fù)極吸收，整個(gè)化學(xué)反應(yīng)形成一個(gè)循環(huán)的反應(yīng)形式。就密封式電池而言，它的內(nèi)壓有限，因此負(fù)極的吸收速度也是有限的。如果充電電壓過高，正極產(chǎn)生氧氣的速度過快，負(fù)極的吸收速度跟不上氧氣的產(chǎn)生速度，長(zhǎng)時(shí)間之后必然造成電池失水，從而誘發(fā)電池的微短路硫酸化等失效現(xiàn)象，損害電池的質(zhì)量，縮短其使用壽命。同時(shí)高速率充電時(shí)電池的極化會(huì)造成電池內(nèi)部壓力上升，電池溫度上升，電池內(nèi)阻升高，這不僅會(huì)縮短電池壽命，而且有可能對(duì)電池造成永久性傷害。蓄電池的這一化學(xué)反應(yīng)原理是研究制定快速充電方法的根本。一方面，快速充電要盡量加快電池的化學(xué)反應(yīng)，使充電速度得到最大的提高;另一方面，又要保證負(fù)極的吸收能力，使其能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，同時(shí)要盡可能消除電池的極化現(xiàn)象。
提高蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度有2種方式，一是改進(jìn)蓄電池的結(jié)構(gòu)以降低其內(nèi)阻和提高反應(yīng)離子的擴(kuò)散速度，二是改進(jìn)蓄電池的充電方法。
快速充電電路特點(diǎn)
1、輸出電壓設(shè)定好后（例如36V），若被充電瓶極板脫落斷開，造成某組電池不通，或出現(xiàn)短路，則電瓶端電壓即降低或?yàn)榱?，這時(shí)充電器將無輸出電流。
2、若被充電瓶電壓偏離設(shè)定電壓，如設(shè)定電壓為36V，誤接24V、12V、6V電瓶等，充電器也無輸出電流，若設(shè)定為24V誤接為36V電瓶，由于充電器輸出電壓低于電瓶電壓，因而也不能向電瓶充電。
3、充電器兩輸出端若短路時(shí)，由于充電器中可控硅SCR的觸發(fā)電路不能工作，因而可控硅不導(dǎo)通，輸出電流為零。
4、若使用時(shí)誤將電瓶正負(fù)極接反，則可控硅觸發(fā)電路反向截止，無觸發(fā)信號(hào)，可控硅不導(dǎo)通，輸出電流為零。
5、采用脈沖充電，有利于延長(zhǎng)電瓶壽命。由于低壓交流電經(jīng)全波整流后是脈動(dòng)直流，只有當(dāng)其波峰電壓大于電瓶電壓時(shí)，可控硅才會(huì)導(dǎo)通，而當(dāng)脈動(dòng)直流電壓處于波谷區(qū)時(shí)，可控硅反偏截止，停止向電瓶充電，因而流過電瓶的是脈動(dòng)直流電。
6、快速充電，充滿自停。由于剛開始充電時(shí)電瓶?jī)啥穗妷狠^低，因而充電電流較大。當(dāng)電瓶即將充足時(shí)（36V電瓶端電壓可達(dá)44V），由于充電電壓越來越接近脈動(dòng)直流輸出電壓的波峰值，則充電電流也會(huì)越來越小，自動(dòng)變?yōu)殇噶鞒潆?。?dāng)電瓶?jī)啥穗妷罕怀涞秸鬏敵龅牟ǚ遄畲笾禃r(shí)，充電過程停止。經(jīng)試驗(yàn)，三節(jié)電動(dòng)車蓄電池36V（12V／12Ah三節(jié)串聯(lián)），用該充電器只需幾個(gè)小時(shí)即可充滿。
7、電路簡(jiǎn)單、易于制作，幾乎不用維護(hù)及維修。
相關(guān)快速充電解決方案及參考設(shè)計(jì)如下文。
一、TI可編程多化合物快速充電管理參考設(shè)計(jì)
描述
該參考設(shè)計(jì)是可編程的單片 IC 解決方案，適用于單化學(xué)物或多化學(xué)物應(yīng)用中對(duì)鎳鎘 （NiCd）、鎳氫 （NiMH） 或鋰離子 （Li-Ion） 電池的快速充電管理。其會(huì)選用合適的電池化學(xué)物（鎳或鋰），并使用最佳的充電和終止算法執(zhí)行操作。該過程消除了不良充電、充電不足或過度充電的情況，并確 ?？焖俪潆姷木_度和安全終止。
特性
串聯(lián)電池?cái)?shù)：1S 至 25S
最大輸入電壓：25V
最大充電電流：1A
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：開關(guān)模式
原理圖：
相關(guān)器件：
1.BQ2000 具有峰值電壓檢測(cè)終端的多化合物、開關(guān)模式充電管理 IC
結(jié)構(gòu)框圖：
相關(guān)終端應(yīng)用：
IP 電話：無線
心電圖 （ECG）
2.BQ24170 1.6MHz 同步開關(guān)模式鋰離子和鋰聚合物獨(dú)立電池充電器
功能框圖：
相關(guān)終端應(yīng)用：
平板電腦：多媒體
視頻會(huì)議：基于 IP 的 HD
二、安森美快速充電解決方案詳解
隨著手機(jī)的屏幕越來越大，處理器的性能越來越強(qiáng)并升級(jí)多核。為保證續(xù)航，手機(jī)的電池容量也變大，這樣造成充電時(shí)間不可避免的變長(zhǎng)。如何縮短充電時(shí)間已成為手機(jī)應(yīng)用的一大瓶頸。相繼出現(xiàn)基于不同廠商的快速充電解決方案，能夠短暫的時(shí)間內(nèi)有效提升充電效率。
1. 方案框圖
圖示 On Semi方案框圖
2.方案特點(diǎn)
· 通過頻率反走和跳周期模式，減少待機(jī)功耗
· 可通過光耦觸發(fā)低功耗關(guān)閉模式
· 無損過功率補(bǔ)償
· 基于定時(shí)器的過功率保護(hù)
· 輸出短路保護(hù)
· 動(dòng)態(tài)自供電的高壓?jiǎn)?dòng)
· 欠壓監(jiān)測(cè)功能
· 有源 X2 電容放電
· 嚴(yán)重故障時(shí)閂鎖
· 自動(dòng)恢復(fù)或閂鎖選擇的過流保護(hù)
· 空載待機(jī)能耗 < 30 mW
· 可調(diào)功率過載保護(hù)
3.本解決方案主要芯片：
NCP1247是一個(gè)新的具有動(dòng)態(tài)自供電功能的固定頻率電流模式PWM控制器。
NCP1247應(yīng)用實(shí)例框圖
NCP1247內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
詳細(xì)資料：NCP1247：固定頻率電流模式控制器，用于反激式轉(zhuǎn)換器
NCP4303A / B是一個(gè)全功能的控制器和驅(qū)動(dòng)器適合于開關(guān)電源電路，實(shí)現(xiàn)同步整流。
NCP4303應(yīng)用實(shí)例框圖
NCP4303內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
4.On Semi方案照片
三、基于FAN501的快速充電解決方案詳解
隨著手機(jī)的屏幕越來越大，處理器的性能越來越強(qiáng)并升級(jí)多核。為保證續(xù)航，手機(jī)的電池容量也變大，這樣造成充電時(shí)間不可避免的變長(zhǎng)。如何縮短充電時(shí)間已成為手機(jī)應(yīng)用的一大瓶頸。相繼出現(xiàn)基于不同廠商的快速充電解決方案，能夠短暫的時(shí)間內(nèi)有效提升充電效率。
1.方案框圖
Fairchild方案框圖
2.方案特點(diǎn)
· 輸出短路保護(hù)
· 毫瓦節(jié)省技術(shù)提供超低的待機(jī)功耗，很容易滿足“能源之星 V5.0”
· 恒壓控制時(shí)，根據(jù)輸入電壓，有兩段固定的 PWM 工作頻率 140kHz/85kHz
· 高壓?jiǎn)?dòng)
· 斷續(xù)和連續(xù)工作模式實(shí)現(xiàn)恒流控制，無需次級(jí)反饋電路
· 在連續(xù)工作模式有較高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率
· 調(diào)頻減少 EMI 噪聲
3.本解決方案主要器件：
FAN501 —用于充電器應(yīng)用的離線 DCM/CCM 反激式 PWM 控制器
此先進(jìn)的 PWM 控制器 FAN501 簡(jiǎn)化了要求對(duì)輸出進(jìn)行恒流調(diào)節(jié)的隔離電源的設(shè)計(jì)。 利用變壓器初級(jí)端的信息，并通過內(nèi)部補(bǔ)償電路進(jìn)行控制，去除輸出電流檢測(cè)損耗，消除外部 CC 控制電路，從而精確估計(jì)輸出電流。 具有極低工作電流 （250 μA） 的間歇模式可最大化輕載效率，因此符合世界范圍內(nèi)待機(jī)模式效率指導(dǎo)準(zhǔn)則。
產(chǎn)品特性
1）WSaver? 技術(shù)提供能量之星 5 星級(jí) （30 mW） 的超低待機(jī)功耗
2）在非連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） 和連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 下，無需次級(jí)端反饋電路即可實(shí)現(xiàn)恒流 （CC） 控制
3）雙頻率功能根據(jù)輸入電壓改變開關(guān)頻率 （140 kHz/85 kHz），從而最大化變壓器利用率并提高效率
4）在典型的 10 W 到 15 W 緊湊型充電器應(yīng)用中，CCM 模式運(yùn)行中具有較高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率
5）抖頻可降低 EMI 噪聲
6）高壓?jiǎn)?dòng)
7）通過外部電阻調(diào)整實(shí)現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)，從而精確限制最大輸出功率
8）通過斜坡補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)峰值電流模式控制，從而避免次諧波振蕩
9）通過外部 NTC 電阻實(shí)現(xiàn)閂鎖模式下的可編程過溫保護(hù)
10）VS過壓保護(hù)（閂鎖模式下），VS欠壓保護(hù)（自重啟模式下），VDD過壓保護(hù)（自重啟模式下）
11）采用 MLP 4X3 封裝
FAN501應(yīng)用框圖
FAN501功能框圖
4.Fairchild方案照片
四、基于TI控制器的快速充電解決方案詳解
隨著手機(jī)的屏幕越來越大，處理器的性能越來越強(qiáng)并升級(jí)多核。為保證續(xù)航，手機(jī)的電池容量也變大，這樣造成充電時(shí)間不可避免的變長(zhǎng)。如何縮短充電時(shí)間已成為手機(jī)應(yīng)用的一大瓶頸。相繼出現(xiàn)基于不同廠商的快速充電解決方案，能夠短暫的時(shí)間內(nèi)有效提升充電效率。
1.方案框圖
TI方案框圖
2.方案特點(diǎn)
· 少于 10mW 無負(fù)載功耗能力
· 針對(duì)恒定電壓 （CV） 的光耦合反饋，和針對(duì)恒定電流 （CC） 的初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié) （PSR）
· 在線路和負(fù)載上實(shí)現(xiàn) ±1% 電壓調(diào)節(jié)和 ±5% 電流調(diào)節(jié)
· 700V 啟動(dòng)開關(guān)
· 100kHz 最大開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)高功率密度充電器設(shè)計(jì)
· 針對(duì)最高總體效率的諧振環(huán)谷值開關(guān)運(yùn)行
· 簡(jiǎn)化電磁干擾 （EMI） 兼容性的頻率抖動(dòng)
· 針對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 的已鉗制柵極驅(qū)動(dòng)輸出
· 過壓、低線路和過流保護(hù)功能
3.本解決方案主要器件
UCC28740 具有光電耦合器反饋的恒壓、恒流反激控制器
UCC28740 隔離式反激電源控制器使用一個(gè)光耦合器件來提供恒定電壓 （CV），從而改進(jìn)對(duì)較大負(fù)載階躍的瞬態(tài)響應(yīng)。 通過初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié) （PSR） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒定電流 （CC） 調(diào)節(jié)。 這個(gè)器件處理來自光耦合反饋和輔助反激式繞組的信息，來實(shí)現(xiàn)輸出電壓和電流的精準(zhǔn)高性能控制。
UCC28740應(yīng)用框圖
詳細(xì)資料：UCC28740 恒壓、恒流反激控制器
UCC24610 二次側(cè)同步整流器控制器
UCC24610應(yīng)用框圖
4.TI方案照片
(審核編輯: 智匯張瑜)
