提高电池充电器转换效率的设计方法.docVIP

提高电池充电器转换效率的设计方法 在电池充电期间，过渡浪费能量对于环境当然不好，也是不良的设计实践。事实上，此问题已经尖锐化，目前已经成为国际管理机构的问题了。电池充电器效率的确定和测量比交流-直流电源转换效率的确定和测量更有挑战性。通常认为此效率是存储在电池中的能量相对于充电器充电周期内消耗的能量。但是这种定义不好，因为电池不在有效充电期间时，电池充电器常常还是加电的。空闲或电池充电维护期间消耗的功率也必须考虑。 当只需要测量电源在最大和零额定负载以及零负载条件下的交流功率输入和直流功率输出时，测量电池充电器的效率就不那么容易了。充电器效率标准是建立在计算特定时间内总能量消耗的基础上，包括有效充电、充电维护以及充电器中没有电池的待机模式期间。 例如，“能源之星”测量周期是在电池持续充电24小时后开始的。此时，假定电池已经达到满充。然后进行维持电池满充电消耗的能量测量，在充电器中有电池情况下，测量36小时，移去电池，再测量12小时。 能量比(ER)是用在48小时的非有效期内测量到的能量除以电池全部放电放出的能量得到的。“能源之星”标准中有一个相对于电池电压的ER容许值表，对于1.2V的电池，最大ER值为20；对于24 V或更高的电池，ER值为3。 显然，“能源之星”标准不包括有效充电期间充电器的转换效率，只包括充电维护和待机模式期间充电器的转换效率。其基本原理是，大多数消费市场上的电池充电器在大部分寿命期内，都是加着电但没有电池，或者所加的电池已充满。 展望未来，“加州能源之星委员会（CEC）”和“美国能源部(DOE)”都正在开发覆盖有效充电模式效率的标准。DOE法定标准计划2008年颁布，并在2011年前强制执行。CEC规范要么很快发布，要么与DOE规范绑定在一起。 此外，大多数充电器的交流-直流电源要么嵌入在充电器内，要么作为外部台式部件。这些电源已经符合CEC和“能源之星”电源效率标准，并将随未来DOE标准调整。 充电器拓扑与转换效率 大多数交流供电的电池充电器是设计成特殊控制的离线或二级开关电源(SMPS)。有些直流供电的充电器使用线性调节，但一般限于低功率产品（图1）。 当然，线性和SMPS充电器拓扑也可直接连接发电机或备用电池系统的直流电。这类充电器一定要有输入保护和开关拓扑结构，以适应这些环境下出现的电压瞬变和宽电压范围。由于各电池充电器输出必须由相关电池的充电状态进行电压控制和电流控制，所以离线充电器拓扑只限于单电池充电器。 交直流电源和离线充电器 交-直流电源主要分两类：一类是用于建造到其他系统内的开放式框架或砖式电源，另一类是封装好的台式或墙上安装的电源。这两种类型的电源都可用在电池充电器上。 大多数交-直流电源都采用回扫拓扑，但差异很大。在回扫设计中，交流电输入整流成高压直流，此高压直流随后由一个或多个MOSFET管转换为电流脉冲，再输入到变压器初级绕组。 变压器次级绕组产生的电流脉冲经整流和滤波，得到直流输出。通过改变变压器初级上的脉冲占空比或频率调整输出电压。通过光隔离器来完成从次级到初级的反馈控制，以保持电流隔离。 为满足CEC效率要求（以及已提议的DOE法规），负载能力大于45 W的交-直流电源效率必须优于85%，输出端无负载时消耗的功率要小于0.5 W。规范中有一公式针对更高容量电源。此外，容量在75W以上的交-直流电源要求有功率因数校正(PFC)。PFC电路会降低转换效率。 如果在单机架电池充电器设计中采用离线开关拓扑，则主要难点就是电压控制要严格。在充电周期结束时，锂离子(Li-ion)电池充电器必须保持电池端为恒压，容差约1%。 例如，一般的单节充电器保持电池端电压在4.2 V ±0.05 V，直到电流值降至很小，充电周期才结束。要达到这么严格的电压控制，在离线开关电源中实现要比在直流-直流降压转换器拓扑中实现更难。 在锂离子电池充电器充电周期的各个过程，必须进行电流和电压两种控制。在直流-直流转换器中这更容易设计。另一方面，单级离线开关充电器的效率可能比后接降压转换器充电器的交直流电源的效率高。 线性调节是最便宜且最简单的通用充电电路拓扑（图2）。不过，由于此种充电器拓扑的转换效率通常最低，一般只用于低功率充电。此电路所浪费的能量计算如下： 损耗= VQ1×IBAT+RSNS×IBAT2 例如2S（两节电池串联）锂离子电池，每节的标称电压都为3.8 V。当以0.8 A、12V的直流电源充电时，耗散的能量为： 损耗=(12–3.8×2)×0.8+0.2×(0.82)=3.52+0.128= ~3.6 W 此充电器在有效模式下的转换效率适当，为62.5%，此值是输入电池的6 W除以输入(6 W+3.6 W)。晶体管的电压降乘以充电电流为初级损耗因子