ADI新型充电器解决方案可实现电池堆电压和充电效率

就目前而言，这可能是生活中zui常见的问题了。世纪之交，电池（尤其是基于锂离子的电池）成本的降低和性能的提高，推动了电池供电的储能和便携式设备的稳步增长。此外，超级电容器由于具有独特的性质，也越来越多地用于各种应用。铅酸电池是一项已有150年历史的技术，至今仍广泛用于汽车、轮椅、踏板车、高尔夫球车和不间断电源（UPS）系统。一旦能量耗尽，这些储能设备必须重新充电。2019年，quan球充电IC出货量为11.6亿颗，预计2024年将增长至17.2亿颗，年增长率为 8.6%，相当健康。收入分别为5181亿美元和7354亿美元，复合年增长率为7.3%。图1显示了这一趋势，其来自OMDIA的“电源IC市场跟踪 - 2019年”。

图1.quan球充电IC市场 对更多电力、更长续航里程或运行时间的需求，要求提高储能设备使用的电压。例如，机器人、无人机、电动工具和许多其他事物中使用的锂离子电池堆已经从一两个电池单元增加到多个（zui多12个）电池单元。一个12芯锂离子电池堆可提供zui大50.4 V的电压。在相同电流额定值下，12芯电池的续航时间是1芯电池的12倍。或者，可以将12节电池并联以获得更高的功率，但这种方法会使电流增加12倍。更高的电流会导致更多的传导损耗，因此不宜采用并联电池。 带备用电池的应急照明、UPS备用电源、HVAC等工业系统使用24 VDC电源，即使用24 V电池来为这些系统提供备用电源。然而，根据IEC 61131-2和IEC 60664-1标准，24 VDC电源在瞬态条件下可升至60 V峰值电压。 在任何一种情况下，设备都要求充电器解决方案能够适应更高电池电压，并能承受瞬态事件期间的更高输入电压。 充电器基础知识 充电器有许多拓扑结构。线性充电器通过功率开关降低电源和电池之间的电压差。此类充电器效率zui低，因为当电源和电池之间的电压差很大时，功率开关会消耗大量功率。升压充电器将来自电源的电压升压到电池电压。这种拓扑结构要求电源电压低于电池电压。降压充电器对来自电源的电压进行降压，并要求电源电压高于电池电压。升压-降压充电器可以使用高于或低于电池电压的电源电压为电池充电。这种拓扑结构需要四个功率开关（降压拓扑只需要两个），而且效率一般不高。 同步整流降压充电器效率zui高，是本文的重点。图2显示了一个通用同步整流降压充电器电路。如今，大多数降压充电器都在相对较低的电压下运行。许多充电器的额定输入电压仅为28 V，有些为40 V。如果允许?10%的输入电压调节和2 V的降压充电器压降，那么额定值28 V的充电器实际上只能为5S锂离子电池堆（zui大）充电。我们将研究一个新的60 V输入充电器IC系列，它支持更高充电电压——电池电压高达52 V（或12芯锂离子电池堆），并且可以承受65 V的输入电压瞬变。

图2.通用同步整流降压充电器 充电器的待机电流应很低以节省能源。Energy Star?规定待机功耗为30 mW或更少的手机充电器和其他小型充电器为五星。一星适用于待机功耗为300 mW或更高的充电器，其他星级适用于介于两者之间的其他充电器。Energy Star旨在降低个人充电器的功耗，这些充电器在不使用时大多也不会拔下来。在任何特定时间，quan球有超过10亿个此类充电器连接到电网。 尽管铅酸电池、锂离子电池和超级电容器都是储能设备，但它们的充电/放电特性明显不同。我们将考察这些特性，并讨论每个特性的充电解决方案。一个好的电池充电器可提供良好的电池性能和耐用性，尤其是在不利条件下充电时。 铅酸电池充电器 铅酸电池是现存zui古老的可充电电池，1859年由法国医生Gaston Plant?发明。一百五十年后，它仍然广泛用于汽车、轮椅、踏板车、电动自行车、高尔夫球车和UPS系统。 铅酸电池必须缓慢充电。典型充电时间为8到16小时。电池必须始终以充电状态存储，定期进行完全饱和充电对于防止硫酸盐化至关重要。通常的做法是在大约8小时内将铅酸电池充电至70%，然后再用8小时进行zui重要的补足充电。如果铅酸电池不时接受完全饱和充电以防止硫酸盐化，则部分充电也没问题。让电池长时间处于浮动充电状态不会造成损坏。 找到理想的充电电压限值至关重要。高电压（高于2.45 V/单元）可产生良好的电池性能，但由于正极板上的板栅腐蚀，电池使用寿命会缩短。低电压限值会造成负极板硫酸盐化。温度也会影响电池电压，温度系数典型值为–5 mV/?C（每10?F每电池单元0.028 V）。好的充电器必须补偿此温度系数，以避免电池在高温时过度充电或在低温时充电不足。