作者：Charles Mauney，德州仪器 (TI) 电池充电器高级应用工程师

摘要

如果只是在特定输入电压、电荷电平和封装尺寸下来考虑一个单独的充电器，则电池充电是一个非常简单的概念。但是，充电通常是在某种系统负载下完成的，其会使充电过程复杂化。本文将重点介绍，在没有电池的情况下支持系统负载的电池充电器存在的潜在启动和运行问题，以及充电器输出特性如何对系统输入特性做出反应。

引言

系统在没有电池的情况下依靠充电器工作正变得越来越普遍。这种情况可能会出现在正常应用或厂商的产品测试期间。图 1 中，在任何瞬态或上电条件下都没有电池电源为系统供电。如果设计不够合理，则充电器就会在短路状态下锁闭。要想解决这些设计问题，我们必须充分理解充电器的输出源规范和输入系统负载要求。

图 1 充电器电源和系统负载结构图

无电池运行问题

人们通常认为锂离子 (Li-Ion) 电池充电器是一种在稳定电压下可以被控制的电流源。一般而言，这种器件都配有电池组，其起到一个能量储存器（大容量电容）的作用，以通过电源瞬态持续为系统供电。如果系统负载超出源电流片刻，电池便会补充额外的电流。在没有电池的情况下，如果系统负载电流超过了充电器的源电流，则系统电压就会迅速下降。麻烦的是，充电器为一个三级电流源，即短路、预充电和快速充电。超过有效电流会导致系统电压下降，并且还可能会使充电器进入预充电，然后转入电流更少的短路阶段。相反，如果负载电流低于充电器电流，则系统电压上升，直到达到 4.2V 稳定电压为止。最后，充电电流下降至与负载电流相等。

要想实现无电池工作，必须对充电器和系统进行设计，以使充电器能够始终向系统提供要求的电流。要解决这个问题，充电器的 IV 特性必须要与系统负载 IV 特性相匹配。

充电器的输出特性

我们将讨论一种锂离子电池充电器，这是由于它具有几个充电阶段，而这些我们已经讨论过的概念可以被轻松地应用到其他充电器化学技术中去。图 2 显示的是其与充电器输出电压 VSYS 相关联时充电器的电流情况。如果没有电池并且充电器没有通电，则初始电压为 0V。当向充电器加电时，由于输入与输出之间存在内部上拉电阻（~500 Ohms），充电器的输出电压开始上升。短路模式低于 1 伏，其设计目的是最小化 OUT 引脚短路期间的功耗。

一旦高于短路阈值 (0.8～1.4V)，充电器便会进入预充电模式。预充电对深度放电的电池进行恢复，或决定该电池组是否受到破坏以及是否需要终止充电。预充电电流约为快速充电电流的 1/10，但是某些充电器可以单独编程控制这一水平。预充电模式在 ~3V 时转为快速充电恒定电流，这时便获得了编程控制快速充电恒定电流。充电器决不会提供比这种编程控制电流电平更多的电流。电压在 4.2V 时达到恒定电压模式后，输出得到调节，并且能够提供达到编程控制电流电平的电流。如果负载电流降至终止阈值，则充电终止，除非终止功能失效。

图 2 锂离子充电概述——充电电流和电压输出

表 1 列出了每一个阶段的电流。

既然我们知道有多少电流来自充电器，那么就需要一个系统负载分析来确认设计是否适合无电池运行。

表 1 充电模式和可用电流及功率

系统负载特性

电阻性负载会吸收电流，该电流与施加的电压成比例关系，并且可出现在上电阶段。在无电池上电时，低于 125 Ohms (ISINK = 1V/125 Ohms = 8mA) 的电阻可以阻止充电器退出短路模式。

一般而言，一个 DC/DC 降压转换器在其输入电压接近其调节输出电压时才被启用。由于转换器的输出电压固定，因此其负载通常恒定不变，这样其输入电流便与其电压成反比关系。图 3 中的两条曲线显示了流入一个 1.8V 和 3.3V DC/DC 转换器的输入电流与输入电压之间的对比关系。您可以看到，电压上升则电流下降，反之亦然。

一般来说，电容性负载在转换器的输入端并不是一个问题，同时它会减缓上电，除非一个定时事件结束从而引起重置或进一步加载。上电时转换器输出的电容性负载可能会带来峰值功率要求，同时如果该转换器具有软启动特性，则这种负载可以降低。

脉冲负载会加给其他静态负载，并且这种情况随时可能发生，因此我们在进行无电池操作时应该特别注意，要确定峰值负载不会超过可用充电器源电流。

图 3 DC/DC 转换器输入电流与输入电压的关系：A）错误的上电顺序；B）正确的上电顺序

源电流和系统负载电流对比

应该考虑的对比共有两种：静态 DC 对比和实时上电及运行对比。DC 对比只在特定系统电压下将系统负载电流与可用充电器源电流对比。图 3 显示了系统电压变化时的总负载电流和可用充电器电流。上电初始，电阻性负载电流接近于可用充电器的短路电流。因此，设计人员或许想确保输出电压能够充电至预充电区域。在预充电中，当 1.8V 转换器在 1.6V 开启时，总电流会略微超过预充电电流。一种解决方案是在 VSYS = 1.8V 时开启该转换器，这样负载电流就会下降，所图 3b 所示。同样地，3.3V 转换器可在 2.8V 开启。延迟开启直至 VSYS 达到 3.1V，将会把加负载移动到快速充电区域中，从而防止出现加载问题。既然已经分析了静态问题，最好是马上进行一次运行测试。

实时运行对比有助于理解负载瞬态时间，并确定峰值负载不会超过可用源电流。将系统负载连接至一个实验室电源就可以进行一个简单的测试。在回路中插入一个 100m Ohm 电阻，并设置电源电压为 4.2V。如图 4 所示连接示波器探针，以捕获电压和电流。使用单序列触发器时，设置示波器到电压波形，并开启实验室电源。利用热插拔，可重复该测试。通过电流触发（刚好设定在充电器编程控制电流阈值以下）可实现连续运行测试，同时以系统各种运行模式来运行系统。应该在整个系统的 VSYS 运行范围中进行这种测试。如果示波器得到触发，则需检查电流脉冲并确定负载是否过高。

图 4 捕获实时工作电流与电压波形关系的设置

系统：可运行、循环开/关或锁闭（崩溃）

没有电池时理想的运行模式是可用充电器电流始终高于系统负载电流，从而实现稳定的运行。在这种模式下，系统电容充电至调节电压，快速充电电流逐渐减小至与系统负载电流相等。只要系统电流低于编程控制的快速充电电流，系统就会保持在这种稳定的状态模式下。如果负载电流超过了可用充电电流，则进入循环或锁闭状态，这是由于 DC/DC 转换器在低系统电压下需要更高的电流。如果系统电压下降使得转换器关闭，则系统电压会在下一个过电流负载以前恢复。这种循环模式一般被称为“打嗝”模式。

无电池运行或测试设计技巧

建立一个与表 1 相类似的表格，或绘制一幅如图 3 所示的充电器电流曲线图，以便定义系统的绝对最大负载边界。在系统电压范围内所有运行模式下运行系统，并定义可以开启的系统，以及处于最大负载边界以下的时间。最佳解决方案是只在充电器处在快速充电模式下时才开启系统。绝不要让负载大于有效最小快速充电功率（例如：表 1 中 3 瓦特的快速充电模式）。由于充电器输出功率和系统负载功率均为 VSYS 的函数，因此您可以比较该功率或电流得出相同的结论。

因此，设计人员应该让系统功率要求维持在最小充电器功率输出以下，或者使峰值系统电流要求维持在编程控制充电器输出电流以下，以此来保证连续的系统运行。

总结

由于电池始终都可以用作任何可能出现的峰值负载的备用电源，因此利用适配器和电池驱动电子产品十分简单。唯一的问题是，平均充电器电流大于平均负载电流，这样电池便不会被放电了。如果需要无电池运行，则需要特别注意负载电流不能超过充电器源电流。否则，系统电压就可能会崩溃，并卡在低功率电流限制状态。通常，短路和预充电模式会是出现问题的地方。避免在这些模式下满负载运行可以解决大多数问题。

参考文献

如欲了解该电池解决方案和其他电池解决方案的更多详情，敬请访问：www.power.ti.com。

作者简介

Charles H. Mauney 现任 TI电池充电器高级应用工程师，主要负责充电器定义、应用、培训和支持工作。Mauney 毕业于新墨西哥州亚柏克尔克市新墨西哥大学 (University of New Mexico in Albuquerque, New Mexico)，获电子工程理学士学位和机械工程理学士。