电瓶车充电器电路图及原理(车载充电器电路图及原理)

降压充电器IC

降压充电器IC适用于最小输入电压始终超过最大电池电压 (VBATT)的应用,例如单电池 5V USB。即使所需的最大充电功率超过 5V USB Type-C 提供的 15W(例如大多数智能手机),也仍然可以使用降压充电器IC,只要它能够处理 USB PD 支持的更高 VIN 工作电压和功率。

FH5204是一款降压充电器IC,它提供低阻抗电源路径,可以提升充电效率、缩短电池充电时间并延长电池寿命。该器件支持 USB 电池充电规范 1.2 (BC1.2) 标准和非标准适配器检测。FH5204还提供参数配置,例如输出电压(VOUT)、开关频率(fSW)、充电电流、输入电流限制、安全定时器和芯片温度调节等。

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升压充电器IC

升压充电器IC适用于 VIN 低于最大 VBATT 的应用,如带2 节电池的 5V USB。这种类型的充电器IC仅适用于功率要求小于或等于15W 的应用,如需更高功率,则需要采用升降压充电器IC。将升压充电器IC用于功率需求较低的多节电池应用,可以避免采用 USB PD 控制器等额外组件,从而节省成本。

FH5330是一款灵活的开关模式升压充电器 IC,适用于多节串联的锂离子电池,非常适合便携式应用,例如销售点 (PoS) 系统、云台和蓝牙扬声器。这类充电器IC具有电池平衡功能,它可以监测每个电池的电压,并在超过失配阈值时均衡电压。此外,FH5330具备两种配置模式:独立模式和主机控制模式。主机控制模式可以通过I2C接口配置充电参数,而独立模式则通过连接在CV 和 ISET 引脚上的电阻来调整特定参数。

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升降压充电器IC

采用升降压拓扑的充电器IC允许 VBATT高于、低于或等于器件的 VIN,这意味着电池可以通过任何电源电压持续充电,直至达到其目标电压。这样,快充在更加广泛的条件下成为可能,尽管它确实需要更大的充电器 IC 封装尺寸。通常,如果接入输入电源,升降压充电器IC可以工作于三种工作模式:升压模式、降压模式和升降压模式。升压模式下的VIN 低于VBATT,降压模式下的VIN 高于 VBATT,而升降压模式下的VIN 与 VBATT几乎相等。升降压充电器IC能够在整个 PD 电压范围内提供高功率,同时还向后兼容 5V 传统 USB。这类充电器IC最常用于多节电池串联的 USB PD 应用,例如笔记本电脑、智能手机和移动电源。

USB ON-THE-GO (OTG) 或称放电(Source)模式

USB On-The-Go (OTG)也称为 USB Type-C 放电模式,它并不是 USB 的新功能,但在引入 USB Type-C 连接器之前并不常见。USB OTG 允许来自便携式电池供电设备的双向供电,这使设备(例如移动电源)能够为其他连接的其他设备或配件充电。之前,旧的micro-USB 规范需要采用特殊的电缆才能实现OTG功能,这增加了成本并降低了产品的互操作性(例如,支持 OTG 的电缆可能不能为其他设备充电)。USB Type-C 标准发布之后,USB OTG 成为一种广受欢迎的功能,因为无需增加更多成本,使用相同的电缆和连接器即可实现。现在,许多采用电感拓扑的开关充电器 IC 都支持 USB OTG 操作。该功能在许多常用产品中随处可见,例如笔记本电脑、智能手机和移动电源。

要支持 USB OTG,产品需要具备以下条件:

  1. 充电器 IC 必须支持双向操作,并至少提供5V电压 。
  2. 充电器 IC 必须具有限流功能,以保护连接的电流接收设备不会吸收过多的电流。
  3. 产品必须具备一个 USB CC 控制器,可以将其角色从电力消耗者改为电源提供者,它能够检测连接的接收设备,并在 CC 引脚上公布能够提供的额定电流

安全性

除了确定理想的电池充电器IC拓扑以外,设计人员还必须考虑器件的安全特性,以及这些特性与整体解决方案的关系。常见的安全功能可监测并提供以下保护:

  • 输入、电池和系统欠压和过压保护
  • 输入、电池和系统过流保护
  • 电池充电电流和电压曲线
  • IC 温度和电池温度(包括遵循 JEITA 标准)
  • 充电/放电时间限制(通过充电安全定时器实现)
  • MCU 和充电器IC软件(通过监控器定时器实现)

要实现电池充电器 IC 的安全功能,通常需要规定工作范围(例如电流和/或电压),同时设置充电或器件操作的上下阈值。

例如,如果预期工作输入电压 VIN为 5V,则充电器 IC 可以设置 3V的输入欠压保护 (UVP) 阈值和 6V的输入过压保护 (OVP) 阈值。当VIN超出这些阈值,IC 会禁用输入电源。充电器 IC 还可以提供约 4.5V的可配置VIN调节环路,以防止从输入电源中汲取过多的功率。在这种情况下,充电器 IC 只需从输入中汲取所需的功率;当VIN降至其阈值以下时,汲取的功率也降低。当调节环路与欠压锁定 (UVLO) 和过压锁定 (OVLO) 保护相结合时,充电器 IC 能够在器件接入电源并可用时,以安全的方式最大化输入功率。

监控器(WATCHDOG)定时器

可配置充电器 IC 中,监控器(俗称看门狗)定时器的主要目的是在系统微控制器 (MCU) 死机或停止响应的情况下,安全地处理实例。如果 MCU 开始工作不正常或完全停止运行,写入充电器 IC的值就可能不正确,这会影响充电期间的电池安全性。

一旦启用,监控器定时器就将运行一段可配置的时长。当充电器 IC 读到来自 MCU 的 I2C 事务,就像看门狗被主人抚摸了一下,监控器定时器被复位。在正常操作期间,定时器会持续被“抚摸(pet)”,直至定时到期结束。如果允许在没有读到I2C事务时定时器到期,则监控器定时器会触发一次“吠叫(bark)”。 一旦发生“吠叫”,充电器IC会向 MCU 发送中断,然后启动二级定时器。如果在二级定时器到期之前仍然没有 I2C 事务,则触发“咬(bite)”。在这种情况下,所有充电器 IC 的寄存器都被重置为其默认值,并且为安全起见禁用充电。在一些带NVDC 电源路径管理的充电器IC设计中,监控器定时器的“咬(bite)”可以强制切换电池 FET,以切断充电器 IC 和 MCU 之间的电源,然后重启 MCU。

电池温度监测和 JEITA标准

充电器 IC 的一项关键安全要求是能够在充电期间监测电池的温度,并在温度超出指定范围时控制充电电流和(或)电压。在最简单的实现中,充电器 IC 提供两个比较器,其热阈值和冷阈值与电池组内的一个或多个负温度系数 (NTC) 电阻器上的比例电压相关。当电池组的温度超过热阈值或低于冷阈值时,充电将被禁用。

在更高级的实现中,充电器 IC 可以实现5个或更多基于JEITA电池标准的温度窗口。JEITA(日本电子和信息技术产业协会)审查并确认用于技术报告的标准,该组织的电池标准在整个行业中被广泛使用。在许多设计实现中,充电器 IC 不仅应支持每个温度阈值可配置,还应实现每个阈值的可配置响应,例如降低充电电流或最大电池充电电压,或完全禁用充电。这种可配置性至关重要,因为大多数电池组制造商仅为各种电池类型和温度范围指定了唯一的充电电流和电压要求。

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小结

从单电池充电器IC 到具有 两个 或 三个以上串联电池的充电器 IC,ForDevices的电池充电器IC解决方案涵盖了各种高性能 IC,它们将助力设计人员完善各种电池充电应用。选择电池充电器 IC 需要考量多种因素,例如充电曲线、充电器IC拓扑(例如开关或线性充电器IC)、电源路径管理结构、电池配置和安全特性(例如监控器定时器和 JEITA 温度监测)。了解这些参数如何影响系统和电池规格,就能够做出最佳选择。

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