快速充电器论文doc摘 要 本充电器是基于LTC4009芯片设计的智能快速充电器。克服了一般充电器一些常见的缺点，采用了具有电池浮动电压过压保护、充电电流反向保护、充电电流监视、软启动、交流适配器存在指示以及限流指示等综合控制方法。 本文中设计的电池快速充电器中所用的是LTC4009快速充电管理芯片。利用LTC4009芯片设计的充电器外围电路极其简单，非常适合便携式电子产品紧凑设计的需要。 关键词：充电器，LTC4009，快速充电 Abstract The LTC4009 charger chip design is based on intelligent rapid charger. To overcome the general shortcomings of some common chargers used with battery float voltage over-voltage protection, reverse charge current protection, charge current monitoring, soft start, the existence of AC adapter current limiting instructions, as well as instructions for the integrated control methods. In this paper, the design of the nickel-metal hydride batteries used in the rapid charger is fast charging management chip LTC4009. Chip design using the LTC4009 charger external circuit is extremely simple and very suitable for compact portable electronics design needs. Key word: Flushes the electric appliance, LTC4009, rapid charge rate 引 言 进入上世纪90年代后，电子信息产业的迅猛发展。更多的消费性电子产品进入千家万户。社会信息化进程的加快对电力、电子信息系统的安全稳定运行提出了更多，更高的要求。在人们的生产、生活中，各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，与人们的工作、生活的关系日益密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系统来处理和存储。而各种用电设备都离不开可靠的电源，如果在工作中间电源中断，人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失。 为了避免出现上述不利情况，对于由交流供电的用电设备和移动便携式仪器的电源需要，必须设计一种电源系统，它能不间断地为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源和提供较长时间的直流电源。为此，以安全和操作为目的的备用电源设备上都使用充电电池。这样，即使电力网停电，也可利用由充电电池构成的安全和操作备用电源，从容地采用其他应急手段，避免重大损失的发生。而对于采用充电电池供电的用电设备，从生产、信息、供电安全角度来说，充电电池在系统中处于及其重要的地位。本论文从电池的充电技术、充电器电路结构、充电器典型电路和电池保护等方面，多角度地阐述了充电技术发展和应用。 由于时间仓促以及本人水平有限,设计中难免存在疏漏之处，敬请老师批评指正。 一 电池的充电方法与充电控制技术 1.1电池的充电方法 1.电池充电理论 上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。  图1-1最佳充电曲线可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行,而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。 一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。 1）欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。 2）浓度极化：电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。 3）电化学极化：这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－e→Me＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me＋转入溶液，加速Me－e→Me＋反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。 2.充电方法的研究 （1）常规充电法 常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。 一般来说，常规充电有以下3种。 1）恒流充电法 恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图2所示。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。 图1-2恒流充电曲线dm PUs g `xY1MEU8ksN`[ (,@FKsJp6 u hcd此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 1）二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图1-3所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。 图1-3二阶段法曲线）三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。 （3）恒压充电法 充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图1-4所示。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。论文铅酸蓄 电池充电方法的免费 图1-4恒压充电法曲线论文网 这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。 鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。 2.快速充电技术 为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。 下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线）脉冲式充电法 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图1-5所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。 图1-5 脉冲式充电曲线）REFLEXTM快速充电法 这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴。 如图1-6所示，REFLEXTM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。 (3)变电流间歇充电法 这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图1-7所示。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。 图1-6 REFLEXTM快速充电法 充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。 图1-7变电流间歇充电曲线)变电压间歇充电法 在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图1-8所示。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。 比较图1-7和图1-8，可以看出：图1-8更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电 图1-8变电压间歇充电曲线 池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。 (5)变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法 综合脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。脉冲充电法充电电路的控制一般有两种： 1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的； 2）脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。 图1-9采用了一种不同于这两者的控制模式亿博体育，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。 本设计就是以变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法为理论基础设计的，而且运用的是PWM信号频率固定，脉冲电流幅值可变。并且LTC4009是一个高效的基于PWM结构的智能快速充电控制芯片。 图1-9波浪式间歇正负零脉冲快速充电 1.2传统快速充电器介绍与LTC4009快速充电器 1.传统快速充电器 快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。常用的充电电流值为0.3～2小时率电流。小时率电流值是由公式C(Ah)/t(h)规定的，其中C代表电池额定容量，t代表时间。例如用1小时率电流对5号镍镉电池快速充电，根据0.5(Ah)／1(h)＝500(mA)，即采用500mA的充电电流(一般慢速充电，选用10小时率电流)。 性能完善的快速充电器，其原理图如图1-8所示： 图1-8 快速充电器原理框图 其中的主控电路有多种类型： (1)定时型 对电池进行定时充电，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决定。定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电，使用很方便。由于定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充电器。自制时，为了充电安全，最好选大于5小时率的电流充电。 (2)电压峰值增量△V型 可充电电池(如镍镉电池)在充电时端电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。设计主控电路时，利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。这也称为－△V法。由于这种控制电路比较复杂，故不适于自制。 (3)其他主控电路 主控电路除上述两种以外，还有温度监测和脉宽调制(PWM)控制电路。温度监测常用热敏电阻监测电池温度。当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。只有它复位(人工或自动)后，才能启动再次转人快速充电。 2.LTC4009充电控制器 LTC4009 是一款变电流/变电压电池充电器控制器，采用同步降压架构生产高效率运作结构。它采用一种同步准恒定频率 PWM 控制架构，当采用大容量陶瓷电容器时，该拓扑结构将不会产生可听噪声。充电电流由外部检测、输入和编程电阻器的组合来设定。LTC4009 系列借助外部控制来对多种电池进行充电。 1.4快速充电终止控制方法与LTC4009充电器的控制方法 1.快速充电的终止控制 充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分。根据充电电池的原理，将电池的电压曲线 电池的充电特性 由于电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制方式。具体为:进入B—C段之前，电池电量己基本用完，此时采用恒定的小电流充电。当进入B—C段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，根据电压变化情况控制充电电流，使电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。 在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态；恒压充电时，保持充电电压不变。由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。 电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度的升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种终止充电的方法。 (1)定时控制 该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。 这种控制方法较简单，但有其缺点：充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。 (2)电池电压控制 在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有： 最高电压(VMAX)：从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是：电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己足充电。 电压负增量(－△V)：由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池己充足电。这种控制方法的缺点是：①从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，也有可能出现局部电压下降的情况，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充；②镍氢电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电池的温度较高，对电池有所损害。因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。 电压零增量(△V)：镍氢电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0△V控制法。这种方法的缺点是：未充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，若此时误认为0△V出现而停止充电，会造成误操作。为此，目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏0△V检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。 (3)电池温度控制 为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。常用的温度控制方法有： 最高温度(TMAX)：充电过程中，通常当电池温度达到40℃时，应立即停止快速充电，否则会损害电池。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。 温度变化率(△T/△t)：镍氢和镍镉电池充足电后，电池温度迅速上升，而且上升速率△T/△t基本相同，当电池温度每分钟上升1℃时，应当立即终止快速充电。应当说明，由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的，因此，为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。 采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，因此，不能准确的检测电池的充足电状态。 (4)综合控制法 以上各种控制方法各有其优缺点：由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。为了保证在任何情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。 鉴于定时控制、温度控制、最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限性亿博体育，有的系统中镍氢电池的充电终止也采用综合控制法。镍氢电池是以零增量检测为主，时间、温度和电压检测为辅的方式。系统在充电过程检测有无零增量(△V)出现，作为判断电池已充满的正常标准，同时判断充电时间、电池温度及端电压，是否已超过预先设定的保护值作为辅助检测手段。当电池电压超过检测门限时，系统会检测有无零增量出现，若出现△V，则认为电池正常充满，进入浮充维护状态；在充电过程中，系统会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件。若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电方式，进入浮充维护状态 2.LTC4009的快速充电的终止控制 当电池电压接近被编程的输出电压， 充电电流将开始减少。 当充电电流下降，引脚 CHRG输出时，可以在下跌到当前值为编程最大值的10 ％时关闭。在强大的下拉式漏极开路场效应管作用下 ，并开启25μA下拉电流。表明如果设定的充电电流已减少到适配器输入电流限制或DCIN /电池电压已减少，电池的充电终止。否则同样地充电电流的方法，脉宽调制继续在充分连续模式。大量的陶瓷电容的应用，可以避免噪声。具体过程如1-10所示 图1-10 电池充电停止与充电电压电流的关系图 二 电池充电器电路设计 2.1 LTC4009芯片的简单介绍 1.基本简介 凌力尔特公司(Linear Technology Corporation) 推出能以4A电流快速充电的高效率开关模式电池充电器控制器，该器件适用于多种电池化学组成，最大限度地降低了功耗，而且没有增大占板面积。LTC4009支持多节配置的锂离子/聚合物、镍氢金属、镍镉和密封铅酸电池。就给定的固定输入功率级而言，交流适配器限流最大限度提高了充电速率，从而允许最终产品在电池充电的同时工作，而且没有使负载管理算法复杂化。该集成电路用高达28V的输入电压工作，适用于便携式仪表以及电池备份系统等多种应用。 LTC4009的同步整流、降压型开关拓扑可驱动所有N沟道MOSFET，在4A时实现高达90% 的效率。最终浮动电压准确度规定为±0.5%，充电电流可编程，准确度为±4%。LTC4009的准恒定频率PWM架构保证工作时无可听噪声，最大限度降低了滤波要求，同时550kHz的高工作频率允许使用小的电感器和电容器。外部功率FET接通/断开时间可能随温度和充电电流的不同而有所改变，而改进的非重叠控制允许保持高效率。LTC4009 在停机时消耗20uA，延长了便携式应用的电池工作时间。就安全和自主充电控制而言，该集成电路包括电池浮动电压过压保护、充电电流反向保护、充电电流监视、软启动、交流适配器存在指示以及限流指示。 LTC4009 采用紧凑型20引线℃的环境温度范围内工作有保证。每片价格为2.95美元。 2.引脚功能 的引脚排列如图4-1所示，主要引脚功能如下： CLN(引脚1)：负电流输入控制引脚。（-110mV---28V）。 CLP（引脚2）：正电流输入控制引脚。（0-----28V）。 DCIN(引脚3)：直流电输入引脚。（0———28V）。 ICL（引脚4）：有源低电平输入电流限流指示器输出。 DCDIV（引脚5）：AC适配器现状比较器输入。 SHDN（引脚6）：低电平关闭输入。 ACP(引脚7):引脚低电平时AC适配器输出。 CHRG（引脚8）：低电平充电指示器输出。 FBDIV（引脚9LTC4009）电池电压反馈电阻分频器来源。 BAT（引脚11）：此引脚是一个由PFET输出到BAT的引脚。 FVS0（引脚9LTC4009-1/LTC4009-2）：电池电压选择输入（LSB的）。 VFB(引脚10LTC4009)：电池电压反馈输入。 FVS1（引脚10LTC4009-1/LTC4009-2）：电池电压选择输入（最高有效位）。 BAT（引脚11）：电池匣连接。 ITH（引脚12）：PWM控制电压及补偿节点。 PROG（引脚13）：充电电流编程和监测引脚。 CSN(引脚14)：充电电流检测负输入。 CSP（引脚15）：充电电流检测正输入。 BGATE（引脚16）：外部同步NFET闸门控制输出。 INTVDD（引脚17）：内部5V稳压输出。 SW（引脚18）：脉宽调制开关节点。 TGATE （引脚19）：外部NFET开关门控制输出。 BBOOST（引脚20）：TGATE驱动电源输入。 Exposed Pad(Pin 21):接地。 图2-1 LTC4009引脚的排列图 2.2 LTC4009芯片的特点与编程方法 在LTC4009内部没有任何内置的充电终止和具有足够的灵活性的控制器，对任何类型的充电化学电池。这些构建模块集成电路要使用外部电路，有能力管理整个算法需要在特定的电池被检测。LTC4009系列的每个成员都具备停机输入和各种状态产出指标，使之易于和直接管理范围广泛的外部（数字）充电控制器。 1.典型特点 (1)充电器状态指示灯 该LTC4009漏极开路输出提供了有价值的指标有关集成电路的状态状况和可用于各种目的应用。表1总结了三个指标作为产出功能的LTC4009作用。 ACP CHRG ICL CHARGER STATE 关 关 关 无直流输入 开 关 关 关闭反向电流DCIN过电压 开 开 关 充电 开 25μA 关 低电平电流充电或者CLP-BAT 100mV 开 开 开 充电容量变大限制电流输入 开 25μA 开 充电电流过小限制电流输入 开 关 开 DCIN过电压限制电流输入 表1三个指标作为产出功能的LTC4009作用 (2)脉宽调制看门狗定时器 作为输入和输出的条件各不相同，可能需要的LTC4009利用脉宽调制占空 比接近10％。在这种情况下，工作频率减少到远远低于550kHz时，内部看门狗定时器遵守TGATE引脚提供的信息。如果TGATE是超过40μs，看门狗和部分的底部NFET（顶端NFET关闭）激活约100ns。这避免了潜在的声响噪音的输入或输出。然后陶瓷电容器和防止增加供应电容器顶端栅极驱动器执行。在低压降操作时，由于看门狗功能确定实际充电电流可能无法达到编程值。 (3)过压保护 LTC4009还包含了过电压检测功能，该功能防止电池电压超过约6％以上的编程输出电压。何时电池电压检测，无论是外部MOSFET 关闭，还是直至清除过条件，在这个时候一个新的软启动顺序都要开始。使用一个内部开关断开自己执行的过程等校准或脉冲模式充电是对电池组有益的充电。 (4)反向充电电流保护 由于LTC4009总是试图同步运行充分连续模式（避免声响噪音陶瓷电容器），反向平均充电电流，就可能发生在一些无效的操作条件。为了避免提高系统的安全稳定性，LTC4009会对 DCIN引进行检测，以确定它是否上升25mV以上。然而，根据系统的负荷比重，即使DCIN引脚存在反向平均电流，也无法驱动DCIN。在这种情况下，第二个监视器显示电路反向平均的编程电流。 在这种情况下，这个解决方案是最有效的检测条件，并迅速提升、关闭、降低集成电路的输入。如果由于某种原因，非常低的反向电流作用在任何系统负荷与AC适配器上，不能吸收电流，它仍有可能提高DCIN上的反向充电电流。为了弥补这一情况，如果电压超过1.825V，LTC4009在DCDIV引脚上加装一个分担故障的分压电阻器以吸收这不能吸收的反向充电电流。 如果上述任何电路检测升压操作，LTC4009关闭这两个外部MOSFET，直到反向电流条件清除。一旦DCIN–CLP大于25mV，一个新的软启动序列开始。 2.编程方法 LTC4009是通过外围电路的一系列元件进行编程，并达到所要求设计指标的。 （1）充电电流 编程充电电流的公式： （2）输入电阻 LTC4009与3.01k输入电阻的时候运行状态是最好的，虽然其他电阻接近此值可用于容纳标准检测电阻值。参照随后的讨论中对电感选择，考虑到比较的时候选择输入电阻RIN输入电阻应选择按照以下方程： （3）RRPROG选择 那里的最大电流值是理想的最大充电电流ICHRG 。 在100mV的目标可以调整在一定程度上获得标准RSENSE值或理想RPROG值，但目标电压低于100mV的将导致电流调节精度比例减少。 所需的最低编程电阻和GND 之间可确定适合的电阻值。同时为解决RSENSE充电电流与ICHRG = IMAX那么应该遵循以下方程: （4）LTC4009输出电压 电压的公式如下： 见表2近似R2的电阻值： VBATVOLTAGE R1（0.25%） R2A（0.25%） R2B（1%） 4.1V 165K 69.0K ---- 4.2V 167K 67.3K 200 8.2V 162K 28.0K ---- 8.4V 169K 28.4K ---- 12.3V 301K 32.8K ---- 12.6V 294K 31.2K ---- 16.4V 284K 22.6K ---- 16.8V 271K 21.0K ---- 20.5V 316K 19.8K ---- 21.0V 298K 18.2K ---- 24.6V 298K 15.4K ---- 25.2V 397K 20.0K ---- 表2 (5)输入电流极限值 要设置输入电流限制ILIM，最低界限适配器额定电流必须是众所周知的。考虑到该偏差的LTC4009的输入电流感应电路， 5 ％ 应减去最低控制输出。程序的输入电流限制功能遵循下列方程： 如果你想减少RCL功耗电流限制，编程方程变为： 如果想使可编程输入电流限制， 方程变为： （6）C/10 CHRG指标 选择RPROG具有很强的影响充电电流监测和准确性的C/10指标输出（CHRG）。该LTC4009使用电压编程引脚，以确定何时充电电流已下降到C/10门槛。名义门槛提供的400mV准确低充电电流指示的C/10只要RPROG=26.7k，独立所有其他现行方案拟订的方案。但是，有时为了满足其他应用程序的设计目标可能需要偏离这个值。 如果RPROG不到26.7k，低充电电流检测发生在一定的水平高于C/10。更重要的是LTC4009变得越来越敏感，以扭转目前的最低值的RPROG ，可用于无错误的风险，提高运行检测结束抵消26.1k 。价值RPROG不到这不应该可以使用。见行动节以获取更多关于反向电流信息。标称值的IMAX分数在C/10迹象发生是由： 最初的LTC4009表明C/10的PWM已到开始与实际的充电电流可确定编程引脚电压）。该0.1μF的电容器来从CHRG地是用来检测初始脉冲，这是典型的不到毫秒启动，设想充电电流的信号实际上是大于C/10。如果外部电路无反应，或可以忽略，这瞬间C/10迹象在启动时，电容器可省略。 通过使用两种不同值上拉电阻器，一个微处理器可以检测到这三个引脚（充电， C/10和不运行） 。当一个数字输出端口（输出）由微处理器驱动器之一的电阻和第二个数字输入端口轮询网络，充电状态才能确定。 LTC4009充电器原理与原理图 1.充电器原理 （1）内部原理 该LTC4009采用同步降压架构生产高效率运作结构。额定550kHz的工作频率允许使用小的电容和电感组成部分。以下讨论的基本概念PWM操作参考图2-2。电压外部充电电流控制电阻RSENSE来衡量当前扩增放大器CA 。该编程电压成为平均充电电流输入信号误差放大器EA。EA放大器也收到了闭环控制信息的电池电压反馈输入ITH和适配器输入电流限制电路的反馈信息。设定了一个限制电感电流阈值，保持理想的平均电流通过RSENSE。目前的比较输出是通过切换状态的RS锁存。开始时，每个振荡器周期， PWM时钟集的RS锁存和打开外部上部NFET （底部同步NFET关闭）刷新当前运行的外部电感器754 。电感电流和电压开始直线上升。随后缓冲器这一瞬时电压上升。当电压超过高峰期所规定的输出值时，顶端场效应管关闭，打开底部场效应管。电感电流然后斜直线下跌，直至下一次上升的PWM 时钟边缘。这个关闭循环和来源正确的电感电流要保持理想参数（限制值，电池电压，或输入电流）。运行不久的恒定频率，实现了PWM振荡器方程： （2）外围电路 外围电路：由于芯片本身就已经具有根据PWM 架构控制了电池的充电电流电压的变化，并根据电流电压变化的程度来控制充电。所以外围电路只需要给芯片提供直流电源供电回路、快速充电的指示回路和快速充电电流的控制回路，以及一些其它的简单电路。原理图如图2-5所示。 图2-5 2 电路分析及器件的选择 （1）输入输出电容的选择 除了典型的输入电源绕过（0.1μF的）DCIN，相对较高的ESR铝电解电容器有利于减少铃响时、干扰AC适配器。输入电容的系统电源（流失顶端场效应管，图1）和GND必须吸收所有输入的PWM 纹波电流，因此它必须有足够的纹波电流效应。最大均方根纹波电流通常是平均电池充电电流的一半。实际电容值不是至关重要的，但是，使用尽可能高的电压评级，PWM输入电容器将最大限度地减少出现干扰等问题。输出电容表明整个电池和地面还必须吸收PWM输出纹波电流。 高容量的陶瓷电容（20μF以上）可用于输入/输出电容器。其他选择包括操作系统电容器和POSCAP电容器。低ESR固体钽电容器具有高纹波电流效应亿博体育。在一个相对较小的表面贴装封装，但要谨慎使用钽为输入或输出大量电容器。适配器热插入的充电或当一个电池连接到充电器时可产生高输入浪涌电流。固体钽电容器受到非常高的浪涌电流将失效。所以选择钽电容器具有很高浪涌电流等级。 电磁干扰因素通常可取，尽量减少纹波电流。添加铁氧体磁珠或电感器可提高电池的额定阻抗。因为芯片有550kHz的开关频率。电池和输出电容器的容抗和电池组之间会产生开关纹波电流。 电感的选择 因为MOSFET的栅极电荷损失，更高的开关频率通常导致较低的效率缺陷，但它允许使用规模较小的电感器和电容器的值。一个主要的影响电感值的原因是振幅的纹波电流产生。 接受更大的ΔIL允许使用低电感，但结果会有较高的输出电压纹波和更多核心的损失。对于较大的电感值，一般要求降低充电电流。 电感在每个PWM周期都会有最高限额的LTC4009瞬时峰值。为了避免不稳定的开关波形的纹波电流，必须满足： 所以选择： 一个合理的起点设置纹波电流是ΔIL=0.4?IMAX。内部TC4009电路还规定限制纹波电流。选择，以避免当前的平均误差高纹波设计。 不应少于2.37k或超过6.04k。设计值的大于3.01k可能会导致某些减少编程电流精度。利用以上的作为指导，可以帮助选择正确的电感值。 为了保证选择电感在任何特定场合的应用都稳定优化，使用和提供设计方程执行评价指标的应用，特别是在占空比低于20％或80％以上，在那里PWM频率可远远低于面值在550kHz的。 场效应管的选择 两个外部功率MOSFET必须选用与充电器符合：一个N沟道功率开关（顶端的FET）和一个N沟道同步（底部的FET）。顶门到源极驱动器内部设定水平5v。因此，逻辑级场效应管必须使用。此外基本直流电流，选择标准这些MOSFET的阻力还包括渠道的RDS（on）， 总栅极电荷Qg和反向传输电容，最高额定漏极电压BVDSS和开关特性，如（开/关）功耗。 其中δ是温度依赖的RDS（on），ΔT场是温升超过一点特定性别的场效应管数据表的RDS（on）和K是一个常数成反比有关的内部栅极驱动器LTC4009顶端。 1+δΔT通常是给予了MOSFET的形式一个正常的RDS（on）曲线/℃，如果其他数据无法使用可作为一个合适的逼近逻辑级场效应管。常数K=2可以用来估算顶端场效应管耗散。该LTC4009工作的目的是最好的与外部FET开关，总闸电荷在5V 的15nC或更少。为VCLP 20V的，高效率的充电电流效率一般提高较大FET晶体管，而VCLP 20V的，顶端门转型期的损失迅速增加，以致使用一档NFET较高的RDS（on）。如果将充电器设定与占空比85％以上，总体效率缺陷通常是提高了使用较大的顶端场效应管。 同步（下）FET的损失是最大的高输入电压或短路时，该部分的低一方占空比接近100％。越来越多的大小场效应管降低其损失，但增加LTC4009功耗。使用非对称场效应管通常会实现节约成本，同时允许最佳效率缺陷。选择场效应管与BVDSS超过最高VCLP电压将出现。场效应管都受到这一级在操作过程中的应力。许多逻辑电平的MOSFET是有限至30V或更低。 LTC4009采用了一种改进的自适应TGATE和BGATE驱动器是不敏感的MOSFET惯性拖延，（开/关）以避免重叠传导损耗。开关特点功率MOSFET适用于数据表只在特定的测试设备 ，因此是不可替代的评价外部场效应管在目标应用程序。一般情况下，MOSFET的低惯性拖延将产生更高的效率缺陷。 (5)二极管的选择 二极管并行底部场效应管和/或顶端的FET在LTC4009应用电阻夹在非重叠之间传导的顶端和底部FET开关。这样就避免了二极管的MOSFET偏置和储存消耗，这可以降低效率缺陷多达1％。如果效率缺陷损失可以忽略，一个或两个二极管可省略。由于较大的结电容，放大二极管可以实际产生额外的效率缺陷（转型）的损失。 3.PCB布局 为了防止和电气设备电磁辐射及高频共振的问题，适当布局组件正确连到LTC4009是必不可少的。为了获得最大效率避免缺陷，开关节点上升和下降时间应尽量减少。以下PCB设计优先清单将有助于确保适当的拓扑结构。布局的PCB使用此特定的秩序。 （1）输入电容应放在尽可能靠近以开关场效应管电源和接地连接最短的铜迹线。开关场效应管，必须在同一层铜作为输入电容器。孔不应被用来使这些连接。 （2）将LTC4009接近开关晶体管栅极终端，使连接线路短期生产无干扰的驱动信号。这条规则也适用于集成电路在电源和接地引脚连接到开关场效应管源引脚。该集成电路可放置在对面一侧的印刷电路板的开关场效应管。 (3)电感输入尽可能接近的开关场效应管。尽量减少表面积开关节点。使追踪宽度最低需要支持编程的充电电流。避免连接多铜层平行。 (4)充电电流感应电阻立即毗邻电感输出，并引导它，例如目前感觉线短。这些反馈的线路需要运行作为一个单一搭配。 (5)输出电容器地面连接必须一样的铜线连接到输入电容在地面系统连接回到地面。 (6)连接开关地面系统的地面， 或任何内部接地平面，应单点。如果系统有一个内部系统接地平面，一个很好的方法就是集中到一个单一的通孔星点建立连接。 (7)路由模拟地面追踪并列回到LTC4009 接地焊盘连接到之前的任何其他理由。避免使用该系统的接地平面。一个有用的计算机辅助设计技术是使模拟地面一个单独的地面净和使用0Ω电阻连接模拟地面系统地面。 (8)如果可能的话，把所有的部件上面列出的同印制电路板层。 结束语 本文通过对充电理论和充电方法的探讨，引入到基于LTC4009充电控制芯片为主要元器件的智能快速充电器的原理及利用其设计的过程，并简要的分析了本设计的外围电路器件的选择。此芯片的内部原理是基于变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法的。是当今充电控制发展的最优方向。这种充电器提供了一些了先进的保护措施，能更好的保护电池。避免由于温度过高和过电压等造成的电池损坏。并且此充电器是适合多种规格样式电池的充电，改变了传统的一种充电器只能对一种化学原理电池充电的困境。基于此原理图，通过对外围电路的编程电阻，电容等器件的改变可以发展多种规格的产品。由于占板面积小，可以运用于笔记本电脑等便携式仪器的充电电路。有巨大的市场潜力。 但是由于此芯片是最新推出产品，更多的功能外围保护电路等可以进一步研究改进，使产品更为合理安全。这都是需要以后进一步学习和探索的 参考文献 [1]周志敏 周纪海 纪爱华.充电器电路设计与应用(第1版).北京：人民邮电出版社,2005.10 [2]王德志.蓄电池原理及应用(第1版).北京:中国铁道出版社,1991.5 [3]周志敏 周纪海.UPS实用技术——应用与维护(第2版).北京:中国电力出版社,2003.6 [4]陈有卿 刘海平.新颖集成电路实用手册.北京:人民邮电出版社,1997.5 [5]刘全盛.数字电子技术(第1版).北京:机械工业出版社,2002.10 [6]杨帮文.实用电池充电器与保护电路集锦.北京:电子工业出版社,2001.9 [7]王海麟 钱建立 周晓军.智能快速充电器设计与制作.北京:科学出版社,1998.7 [8]余爱民.快速镍镉/镍氢蓄电池充电电源研发.华中科技大学,2003.4.10 [9]丁杰.一种新型充电控制电路的研究.电子科技大学,2006.4 [10]周文刚.快速充电器开发.电子产品世界,2000.4 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