DS2715相比其他充電IC獨特之處在于，它通過單個晶體管為電池包提供了充電和放電路徑。該功能結(jié)合可為10節(jié)電池進行充電的特性，使它成為非常適合用于各種電池供電設(shè)備的充電解決方案中。本應(yīng)用指南闡述了DS2715如何控制調(diào)節(jié)晶體管，同時描述了優(yōu)化DS2715應(yīng)用電路時設(shè)計人員應(yīng)采取的調(diào)整措施。本文首先詳細討論了一個3節(jié)電池組的典型應(yīng)用電路。隨后，還介紹了兩個替代電路：一個是將DS2715連接到不連續(xù)負載的改進電路，另一個是直接由電池為負載供電的電路。

 

 

圖1為3節(jié)電池組的典型開關(guān)模式應(yīng)用電路(本應(yīng)用筆記中描述的所有例子也適用于線性模式電路)。當(dāng)連接充電電源時，它通過D1直接為負載和DS2715供電。然后DS2715照常執(zhí)行充電功能。當(dāng)充電電源斷開時，充電電流停止，電池通過寄生二極管Q1為DS2715供電。同時也經(jīng)由這條通路提供負載電流。如果負載電流導(dǎo)致檢測電阻兩端電壓超過10mV (典型值，在SNS+和SNS-端之間測得)，并且VDD大到足以維持正常工作，DS2715進入放電模式。

 

圖1. 典型開關(guān)模式應(yīng)用電路

 

在放電模式下，VCH拉低且Q1完全導(dǎo)通。此時，負載電流從寄生二極管Q1切換到漏-源通路。當(dāng)VDD不足，從而導(dǎo)致DS2715進入上電復(fù)位狀態(tài)時，Q1不導(dǎo)通且其寄生二極管為負載提供了唯一的放電通路。應(yīng)該指出的是，對于采用3節(jié)電池為負載供電的配置，DS2715在電池的大多數(shù)有效放電周期內(nèi)都處于不工作的復(fù)位狀態(tài)。這是因為UVLO (欠壓鎖定)電壓是3.9V，而電池的額定電壓是3.6V。因此，放電模式應(yīng)至少采用四節(jié)電池串聯(lián)。一旦成功進入放電模式，還應(yīng)該考慮負載斷開或再次連接充電電源時會出現(xiàn)什么情況。

 

如果DS2715處于放電模式時再次連接充電電源，充電電源將為負載供電且DS2715重新開始充電。如果放電模式下負載斷開，基本上沒有電流從電池流出。剩下的電流就包括DS2715電源電流(小于200µA)以及VCH吸收的電流。該電流主要隨電池電壓和Q1偏置電路變化，通常為5mA至10mA。參考DS2715的放電鎖存置位和復(fù)位門限，可以明顯看出置位參數(shù)和復(fù)位參數(shù)之間存在滯回。因此，5mA至10mA的電流不足以退出放電模式。除非充電電流導(dǎo)致SNS+和SNS-之間有-10mV的壓降，否則DS2715將一直處于放電模式。放電模式不受VBATT影響，將一直保持，直到VDD低于UVLO加滯回門限。

 

 

當(dāng)充電電源移除時，電池應(yīng)開始為負載供電從而使電壓不至于過多地下降。剛開始，如果負載連接時，寄生二極管Q1和二極管D4提供電池與負載之間的電流通路。如果電流足以置位放電閉鎖，則VCH拉低，并且在Q1內(nèi)部電容充完電后完全導(dǎo)通。VCH的狀態(tài)變化發(fā)生時間為1µs。當(dāng)去耦電容C1和C2放電時，負載連接點從充電電源電壓變化電池電壓。圖2為充電電源移除時負載點的變化狀態(tài)。為了使DS2715維持足夠的VDD，采用四節(jié)電池并使用470µF電容代替C1，以去耦500mA負載電流。

 

圖2. C1 = 470µF，充電電源移開時，4節(jié)電池開關(guān)模式電路的瞬態(tài)特性

 

基本應(yīng)用電路適合無需放電模式的3節(jié)電池或少于3節(jié)電池的應(yīng)用場合，也適合4節(jié)電池應(yīng)用。然而，4節(jié)電池電路也有一個缺點，電池將很少充電，并且電路將在一段時間內(nèi)長期處于放電模式。在這種情況下，維持Q1于放電模式所消耗的靜態(tài)電流將消耗更多的電池能量。在4節(jié)電池應(yīng)用中，如果負載在相當(dāng)大一部分時間內(nèi)是不使用的，且希望電池持續(xù)工作很多天或更長時間，則需要對基本電路進行些許改動即可提高性能。這些修改相當(dāng)于為2節(jié)和3節(jié)電池應(yīng)用增加了放電模式的功能。

 

 

當(dāng)電池?zé)o需長時間且頻繁為負載供電時，在待機時應(yīng)盡量減少電池的損耗，以延長電池壽命。DS2715的典型應(yīng)用電路可以加以修改，僅需增加一個晶體管和幾個無源器件，就可顯著改善其性能，從而更加適合連接到不連續(xù)工作負載的應(yīng)用。圖3為改進后的電路。

 

圖3. 改進后的開關(guān)模式應(yīng)用電路，適用于DS2715連接非連續(xù)負載的應(yīng)用

 

第一個重要的修改是增加了Q5。Q5應(yīng)采用RDS(ON)非常低的pFET，以最大程度提高效率。其VGS應(yīng)根據(jù)電路和負載要求進行選擇。理想情況是，選擇Q5時應(yīng)注意使其VGS在最低有效電池電壓時保持Q5處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電池電壓下降到低于有效的限制時，VGS額定值將關(guān)閉Q5，有助于限制電池的過充電。此特性對于大多數(shù)電路并非必須，這是由于發(fā)生過充之前負載往往早已掉電，鎳氫電池具有一定的耐過充性能。Q5應(yīng)滿足所可能遇到的最高電壓，同時也應(yīng)該能夠處理最大負載電流以及相應(yīng)的功耗。電路中的R8用于確保充電電源移除時Q5處于導(dǎo)通狀態(tài)。R11是Q5切換瞬態(tài)時擺率控制電路的一部分，或使用其他器件代替以提供FET必需的ESD (靜電放電)保護。

 

另一處必要的修改是將R1與D1的陽極斷開，連接至陰極，直接由充電電源為DS2715供電。這樣，當(dāng)電池為負載供電時，DS2715將掉電，Q5將作為負載開關(guān)。當(dāng)DS2715掉電且負載斷開時，只有小的漏電流和電池本身的自放電會導(dǎo)致電池容量的減少。DS2715掉電時，同時也復(fù)位內(nèi)部狀態(tài)機，重新啟動充電周期，而這一過程在典型應(yīng)用電路(圖1)中由Q2完成。電路經(jīng)改進后，即使少于4節(jié)電池，電池也可正常放電，否則在放電狀態(tài)沒有足夠的電能為DS2715供電。

 

該拓撲結(jié)構(gòu)的另一個好處是可以選擇獨立的充電和放電晶體管，以優(yōu)化那些對于不同功能最為重要的特性。之前已經(jīng)提到過負載連接晶體管的重要特點。對于開關(guān)模式應(yīng)用中的Q1，要求采用低VGS的晶體管，以優(yōu)化包括Q3在內(nèi)的簡單自舉關(guān)斷輔助電路。此外，在低RDS(ON)和低柵極電荷之間進行合理的妥協(xié)將實現(xiàn)總功耗足夠低的電路。對于線性模式調(diào)節(jié)晶體管，功耗通常是最重要的因素。

 

由于電路中電池直接連接負載，因此建議電源電壓過低時負載自行關(guān)閉。如果連接一個電阻負載，負載將會引起電池的過放電。

 

 

下圖為充電電源移除后改進應(yīng)用電路的瞬態(tài)響應(yīng)。圖4為C1處安裝22µF鋁電解電容時的曲線。圖5為該電容值變?yōu)?70µF時的曲線。負載FET開啟時，負載電壓從充電電源電壓切換到電池電壓。此時，負載電流是500mA的吸入電流。充電電源移除之前電壓為9V，為負載和充電器供電。在這兩個圖中，上部曲線對應(yīng)負載節(jié)點電壓，下部曲線對應(yīng)Q5柵極的電壓。這兩個電壓是以地為參照的。

 

圖4. C1 = 22µF時，改進后的應(yīng)用電路在移除充電電源后的瞬態(tài)波形

 

圖5. C1 = 470µF時，改進后的應(yīng)用電路在移除充電電源后的瞬態(tài)波形

 

C1為22µF時，出現(xiàn)略低于電池電壓的下沖。去耦電容容值增加至470µF可消除電池、負載和電路采用這一特殊配置時的下沖。

 

直接用電池為負載供電
 

在某些情況下，未必可以采用充電電源電壓和電池組電壓同時位負載供電未必嫩夠滿足要求。負載可直接由電池供電，但必須考慮幾個因素。圖6為直接用電池為負載供電的電路。

 

圖6. 應(yīng)用電路原理圖，帶有可選負載連接

 

負載必須按圖所示方法接地，以保證在電池充電期間得到預(yù)期的充電電流(負載電流不會流經(jīng)R7檢流電阻)。同時，由于負載直接連接到電池，因此沒有必要使用DS2715的放電模式或省去了開通Q1的偏置電路所消耗的其他電流。因此，移除R1/C3濾波器連接，將DS2715的VDD直接與充電電源連接， 因此當(dāng)充電電源移除時，DS2715將復(fù)位。在這一電路中，一旦充電完成，所有負載電流，除了通過D2/R2的電流，必須由電池提供，無論充電電源是否連接。在準(zhǔn)備好進行新的充電周期之前，應(yīng)用電路應(yīng)完全由電池供電。

 

在這一電路中，充電電路除檢測電阻外還作為負載電流的流經(jīng)通路，因此，所有元件必須嫩購應(yīng)對最壞情況下的充電電流和負載電流。開關(guān)模式下，有必要根據(jù)額外負載電流及其對開關(guān)性能影響來重新調(diào)節(jié)關(guān)閉Q1的自舉電路。如果充電期間有可能移開電池，即使存在箝位元件，也應(yīng)采取預(yù)防措施確保負載能夠承受開關(guān)模式下的感性尖峰。在某些情況下，有必要采用額外的旁路電容或特別注意電路布局。如果需要控制何時可以開始充電或當(dāng)充電電源仍然存在需要由應(yīng)用控制器停止充電，則電路中可包含Q2和R8，如圖所示。使用Q2來停止充電時，充電周期就回到在線檢測狀態(tài)。因此，不應(yīng)使用Q2來頻繁地停止和重新啟動充電，因為這可能會導(dǎo)致過充，特別是當(dāng)接近充電周期結(jié)束時。

 

 

DS2715為NiMH電池組充電功能的控制提供了一個獨特、低成本的方法，同時還為電池供電應(yīng)用提供了連接負載的方法。根據(jù)應(yīng)用中電池組數(shù)量及負載特性，對基本電路進行稍許改動可以確保良好的充電和負載供電特性，以適合多種應(yīng)用。 

 

本文來源于Maxim。