【導讀】就目前而言，這可能是生活中最常見的問題了。世紀之交，電池（尤其是基於鋰離子的電池）chengbendejiangdihexingnengdetigao，tuidongledianchigongdiandechunenghebianxieshishebeidewenbuzengchang。ciwai，chaojidianrongqiyouyujuyoudutedexingzhi，yeyuelaiyueduodiyongyugezhongyingyong。qiansuandianchishiyixiangyiyou150年曆史的技術，至今仍廣泛用於汽車、輪椅、踏板車、高爾夫球車和不間斷電源(UPS)係統。一旦能量耗盡，這些儲能設備必須重新充電。2019年，全球充電IC出貨量為11.6億顆，預計2024年將增長至17.2億顆，年增長率為 8.6%，相當健康。收入分別為5181億美元和7354億美元
，複合年增長率為7.3%。圖1顯示了這一趨勢，其來自OMDIA的“電源IC市場跟蹤 - 2019年”。

圖1.全球充電IC市場

對更多電力、更長續航裏程或運行時間的需求，要求提高儲能設備使用的電壓。例如，機器人
、無人機、電動工具和許多其他事物中使用的鋰離子電池堆已經從一兩個電池單元增加到多個（最多12個）電池單元。一個12芯鋰離子電池堆可提供最大50.4 V的電壓。在相同電流額定值下，12芯電池的續航時間是1芯電池的12倍。或者，可以將12節電池並聯以獲得更高的功率，但這種方法會使電流增加12倍。更高的電流會導致更多的傳導損耗，因此不宜采用並聯電池。

帶備用電池的應急照明、UPS備用電源、HVAC等工業係統使用24 VDC電源，即使用24 V電池來為這些係統提供備用電源。然而
，根據IEC 61131-2和IEC 60664-1標準，24 VDC電源在瞬態條件下可升至60 V峰值電壓。

在任何一種情況下，設備都要求充電器解決方案能夠適應更高電池電壓，並能承受瞬態事件期間的更高輸入電壓。

充電器基礎知識

充chong電dian器qi有you許xu多duo拓tuo撲pu結jie構gou。線xian性xing充chong電dian器qi通tong過guo功gong率lv開kai關guan降jiang低di電dian源yuan和he電dian池chi之zhi間jian的de電dian壓ya差cha。此ci類lei充chong電dian器qi效xiao率lv最zui低di，因yin為wei當dang電dian源yuan和he電dian池chi之zhi間jian的de電dian壓ya差cha很hen大da時shi，功gong率lv開kai關guan會hui消xiao耗hao大da量liang功gong率lv。升sheng壓ya充chong電dian器qi將jiang來lai自zi電dian源yuan的de電dian壓ya升sheng壓ya到dao電dian池chi電dian壓ya。這zhe種zhong拓tuo撲pu結jie構gou要yao求qiu電dian源yuan電dian壓ya低di於yu電dian池chi電dian壓ya。降jiang壓ya充chong電dian器qi對dui來lai自zi電dian源yuan的de電dian壓ya進jin行xing降jiang壓ya
，並bing要yao求qiu電dian源yuan電dian壓ya高gao於yu電dian池chi電dian壓ya。升sheng壓ya-降壓充電器可以使用高於或低於電池電壓的電源電壓為電池充電。這種拓撲結構需要四個功率開關（降壓拓撲隻需要兩個），而且效率一般不高。

同步整流降壓充電器效率最高
，是本文的重點。圖2顯示了一個通用同步整流降壓充電器電路。如今，大多數降壓充電器都在相對較低的電壓下運行。許多充電器的額定輸入電壓僅為28 V，有些為40 V。如果允許±10%的輸入電壓調節和2 V的降壓充電器壓降，那麼額定值28 V的充電器實際上隻能為5S鋰離子電池堆（最大）充電。我們將研究一個新的60 V輸入充電器IC係列
，它支持更高充電電壓——電池電壓高達52 V（或12芯鋰離子電池堆）
，並且可以承受65 V的輸入電壓瞬變。

圖2.通用同步整流降壓充電器

充電器的待機電流應很低以節省能源。Energy Star®規定待機功耗為30 mW或更少的手機充電器和其他小型充電器為五星。一星適用於待機功耗為300 mW或更高的充電器，其他星級適用於介於兩者之間的其他充電器。Energy Star旨在降低個人充電器的功耗，這些充電器在不使用時大多也不會拔下來。在任何特定時間，全球有超過10億個此類充電器連接到電網。

盡管鉛酸電池、鋰離子電池和超級電容器都是儲能設備，但它們的充電/放(fang)電(dian)特(te)性(xing)明(ming)顯(xian)不(bu)同(tong)。我(wo)們(men)將(jiang)考(kao)察(cha)這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)，並(bing)討(tao)論(lun)每(mei)個(ge)特(te)性(xing)的(de)充(chong)電(dian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。一(yi)個(ge)好(hao)的(de)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)可(ke)提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)電(dian)池(chi)性(xing)能(neng)和(he)耐(nai)用(yong)性(xing)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)不(bu)利(li)條(tiao)件(jian)下(xia)充(chong)電(dian)時(shi)。

鉛酸電池充電器

鉛酸電池是現存最古老的可充電電池，1859年由法國醫生Gaston Planté發明。一百五十年後，它仍然廣泛用於汽車、輪椅
、踏板車
、電動自行車
、高爾夫球車和UPS係統。

鉛酸電池必須緩慢充電。典型充電時間為8到16小時。電池必須始終以充電狀態存儲
，定期進行完全飽和充電對於防止硫酸鹽化至關重要。通常的做法是在大約8小時內將鉛酸電池充電至70%，然後再用8小(xiao)時(shi)進(jin)行(xing)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)補(bu)足(zu)充(chong)電(dian)。如(ru)果(guo)鉛(qian)酸(suan)電(dian)池(chi)不(bu)時(shi)接(jie)受(shou)完(wan)全(quan)飽(bao)和(he)充(chong)電(dian)以(yi)防(fang)止(zhi)硫(liu)酸(suan)鹽(yan)化(hua)
，則(ze)部(bu)分(fen)充(chong)電(dian)也(ye)沒(mei)問(wen)題(ti)。讓(rang)電(dian)池(chi)長(chang)時(shi)間(jian)處(chu)於(yu)浮(fu)動(dong)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)不(bu)會(hui)造(zao)成(cheng)損(sun)壞(huai)。

找到理想的充電電壓限值至關重要。高電壓（高於2.45 V/單元）kechanshenglianghaodedianchixingneng
，danyouyuzhengjibanshangdebanzhafushi，dianchishiyongshouminghuisuoduan。didianyaxianzhihuizaochengfujibanliusuanyanhua。wenduyehuiyingxiangdianchidianya，wenduxishudianxingzhiwei–5 mV/°C（每10°F每電池單元0.028 V）。好的充電器必須補償此溫度係數，以避免電池在高溫時過度充電或在低溫時充電不足。

例如
， MAX17702 （參見圖3）是一款完整的鉛酸電池充電器控製器，設計支持4.5 V至60 V的輸入電壓範圍。該器件提供高效率（超過97%）
、高電壓、同步降壓解決方案，可為12 V/24 V/48 V鉛酸電池組充電。圖4a和4b顯示了其充電周期和充電效率。

圖3.高壓鉛酸電池充電器控製器

圖4a.MAX17702鉛酸充電周期

圖4b.MAX17702充電效率

鉛酸電池能量密度低
，不適合便攜式設備。便攜式設備需要鋰電池。

鋰離子電池充電器

由於重量輕和高能量密度，鋰離子電池是普遍接受的用於便攜式應用、重工業、電驅動和衛星的電池。

鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)維(wei)護(hu)工(gong)作(zuo)量(liang)很(hen)少(shao)。這(zhe)種(zhong)電(dian)池(chi)沒(mei)有(you)記(ji)憶(yi)效(xiao)應(ying)，不(bu)需(xu)要(yao)故(gu)意(yi)完(wan)全(quan)放(fang)電(dian)就(jiu)能(neng)保(bao)持(chi)良(liang)好(hao)狀(zhuang)態(tai)。但(dan)它(ta)需(xu)要(yao)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)
，電(dian)池(chi)堆(dui)內(nei)部(bu)和(he)充(chong)電(dian)器(qi)均(jun)需(xu)要(yao)，以(yi)防(fang)止(zhi)短(duan)路(lu)、過充、熱失控和過度放電。鋰離子電池如果在1.5 V/單元以下保持一周或更長時間，就可能產生枝狀晶體，影響安全性。

weifangzhiguodufangdian
，neizhidianchibaohudianlujiangdianchizhiyushuimianzhuangtai。dangdianchizaifangdianzhuangtaixiachucun，zifangdianshidianyajiangzhijiezhidianshi，jiuhuifashengshangshuqingkuang。changguichongdianqijiangzheyangdedianchishiweiwufashiyong，dianchibaotongchangbeidiuqi。gaojililizichongdianqijuyouhuanxingtexinghuo“預充電”功能
，可以對由於過度放電而進入睡眠狀態的鋰離子電池充電。在預充電模式中，充電器應用很小的充電電流以將電壓安全提升到2.2 V/單元與2.9 V/單元之間
，從而激活保護電路，然後開始正常充電。

在正常充電期間，鋰離子充電器以恒流恒壓(CCCV)模(mo)式(shi)運(yun)行(xing)。充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)是(shi)恒(heng)定(ding)的(de)，電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)設(she)定(ding)限(xian)值(zhi)時(shi)便(bian)不(bu)再(zai)上(shang)升(sheng)。達(da)到(dao)電(dian)壓(ya)限(xian)值(zhi)時(shi)，電(dian)池(chi)飽(bao)和(he)，電(dian)流(liu)下(xia)降(jiang)到(dao)電(dian)池(chi)不(bu)能(neng)再(zai)接(jie)受(shou)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)充(chong)電(dian)為(wei)止(zhi)，此(ci)時(shi)充(chong)電(dian)終(zhong)止(zhi)。每(mei)個(ge)電(dian)池(chi)都(dou)有(you)自(zi)己(ji)的(de)低(di)電(dian)流(liu)閾(yu)值(zhi)。

鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)在(zai)充(chong)電(dian)時(shi)應(ying)始(shi)終(zhong)保(bao)持(chi)涼(liang)爽(shuang)。鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)不(bu)能(neng)吸(xi)收(shou)過(guo)多(duo)電(dian)荷(he)。因(yin)此(ci)，監(jian)控(kong)電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)及(ji)其(qi)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)以(yi)確(que)保(bao)電(dian)池(chi)健(jian)康(kang)和(he)安(an)全(quan)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。良(liang)好(hao)的(de)充(chong)電(dian)器(qi)必(bi)須(xu)包(bao)含(han)這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)。

圖5給出了高級鋰離子電池充電器的例子。MAX17703 是一款高效率、高電壓、同步
、降壓充電器控製器，設計支持4.5 V至60 V的寬輸入電壓範圍。該器件為最多12芯鋰離子電池堆提供了完整的充電解決方案。

圖5.高級高電壓鋰離子電池充電器電路

該器件分別為±4％和±1％時提供精確的CCCV充電電流/電壓。當充電電流減小到收尾電流閾值時
，充電器進入補充充電狀態；shouweidingshiqizhouqijieshuhou

，chongdianqituichuchongdianzhuangtai。dangshuchudianyadiyuchongdianyuzhidianyashi，chongdianqiqidongchongdianzhouqi。zheshiyigehenbangdetexing，keyirangchangshijianliuzaichongdianzuoshangdedianchibaochimandianzhuangtai，erbuhuixiaohaotaiduodianli，bingqiefuheEnergy Star要(yao)求(qiu)。該(gai)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)和(he)預(yu)處(chu)理(li)深(shen)度(du)放(fang)電(dian)電(dian)池(chi)，利(li)用(yong)預(yu)充(chong)電(dian)特(te)性(xing)將(jiang)其(qi)喚(huan)醒(xing)。為(wei)了(le)提(ti)供(gong)更(geng)多(duo)保(bao)護(hu)，該(gai)器(qi)件(jian)會(hui)檢(jian)測(ce)電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)

，使(shi)得(de)充(chong)電(dian)隻(zhi)能(neng)在(zai)規(gui)定(ding)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)進(jin)行(xing)。它(ta)還(hai)有(you)一(yi)個(ge)輸(shu)入(ru)短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)特(te)性(xing)，用(yong)於(yu)在(zai)輸(shu)入(ru)意(yi)外(wai)短(duan)路(lu)時(shi)防(fang)止(zhi)電(dian)池(chi)放(fang)電(dian)。圖(tu)6顯示了MAX17703的充電周期。

圖6.MAX17703鋰離子電池充電周期

超級電容充電器

超chao級ji電dian容rong器qi相xiang比bi電dian池chi有you一yi些xie獨du特te的de優you勢shi
，因yin此ci越yue來lai越yue多duo地di用yong於yu各ge種zhong應ying用yong。超chao級ji電dian容rong器qi依yi據ju靜jing電dian原yuan理li工gong作zuo

，沒mei有you化hua學xue反fan應ying
，避bi免mian了le與yu電dian池chi化hua學xue存cun儲chu相xiang關guan的de壽shou命ming問wen題ti。其qi高gao耐nai用yong性xing允yun許xu數shu百bai萬wan次ci的de充chong/放電循環，使用壽命長達20nian，bidianchigaochuyigeshuliangji。qidizukangzhichikuaisuchongdianhefangdian，jimiaozhongbiankewancheng。lingwai，tahaiyoushidudechangshijianbaochidianhedenengli
，zheyiqieshichaojidianrongqifeichangshihexuyaokuaisuchongfangdianxunhuandeyingyong。chaojidianrongqihainengyudianchibinglianshiyong，congerzhichifuzaizhuanhuanqijianxuyaoshunshifengzhigonglvchuanshudeyingyong。

超級電容器的快速充放電循環要求充電器能夠處理大電流
，在充電過程中以恒流(CC)模式平穩工作，充電可能從0 V開始，一旦達到最終輸出值
，則以恒壓(CV)模式工作。在高電壓應用中，許多超級電容器串聯在一起，需要充電器來管理高輸入和輸出電壓。

MAX17701 （參見圖7）是一款高效率、高電壓、同步、降壓超級電容充電器控製器，專為大電流充電而設計
，可在4.5 V至60 V的輸入電壓範圍(VDCIN)內工作。輸出電壓可編程，範圍為1.25 V至(VDCIN–4 V)。該器件利用外部N-MOSFET提供輸入電源側“邏輯或”功能，防止超級電容器放電回到輸入端。圖8顯示了簡單但電流很高的充電曲線。

圖7.高電壓
、大電流超級電容充電器

圖8.MAX17701超級電容充電曲線

結論

電池供電的儲能和便攜式設備的使用穩步增長。對更多電力、更長續航裏程或運行時間的需求，要求提高電池堆使用的電壓。在使用24 VDC電源的工業係統應用中，瞬態條件下可以看到60 V峰值電壓。傳統充電器解決方案大多以28 V輸入為限。得益於高電壓同步降壓充電拓撲結構，ADI公司的新型充電器解決方案可實現更高的電池堆電壓和充電效率。

鉛酸電池、鋰基電池和超級電容器都是儲能設備
，具有非常不同的充電/放(fang)電(dian)特(te)性(xing)，需(xu)要(yao)專(zhuan)用(yong)充(chong)電(dian)器(qi)才(cai)能(neng)獲(huo)得(de)最(zui)優(you)充(chong)電(dian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。高(gao)級(ji)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)還(hai)提(ti)供(gong)充(chong)分(fen)的(de)保(bao)護(hu)以(yi)保(bao)障(zhang)電(dian)池(chi)性(xing)能(neng)和(he)耐(nai)用(yong)性(xing)
，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)不(bu)利(li)條(tiao)件(jian)下(xia)充(chong)電(dian)時(shi)。這(zhe)些(xie)在(zai)較(jiao)新(xin)的(de)充(chong)電(dian)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)也(ye)得(de)到(dao)解(jie)決(jue)。

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