摘要
如果只是在特定輸入電壓、電荷電平和封裝尺寸下來考慮一個單獨的充電器，則電池充電是一個非常簡單的概念。但是，充電通常是在某種系統負載下完成的，其會使充電過程復雜化。本文將重點介紹，在沒有電池的情況下支持系統負載的電池充電器存在的潛在啟動和運行問題，以及充電器輸出特性如何對系統輸入特性做出反應。
引言
系統在沒有電池的情況下依靠充電器工作正變得越來越普遍。這種情況可能會出現在正常應用或廠商的產品測試期間。圖 1 中，在任何瞬態或上電條件下都沒有電池電源為系統供電。如果設計不夠合理，則充電器就會在短路狀態下鎖閉。要想解決這些設計問題，我們必須充分理解充電器的輸出源規范和輸入系統負載要求。
圖 1 充電器電源和系統負載結構圖
無電池運行問題
人們通常認為鋰離子 (Li-Ion) 電池充電器是一種在穩定電壓下可以被控制的電流源。一般而言，這種器件都配有電池組，其起到一個能量儲存器（大容量電容）的作用，以通過電源瞬態持續為系統供電。如果系統負載超出源電流片刻，電池便會補充額外的電流。在沒有電池的情況下，如果系統負載電流超過了充電器的源電流，則系統電壓就會迅速下降。麻煩的是，充電器為一個三級電流源，即短路、預充電和快速充電。超過有效電流會導致系統電壓下降，并且還可能會使充電器進入預充電，然后轉入電流更少的短路階段。相反，如果負載電流低于充電器電流，則系統電壓上升，直到達到 4.2V 穩定電壓為止。最后，充電電流下降至與負載電流相等。
要想實現無電池工作，必須對充電器和系統進行設計，以使充電器能夠始終向系統提供要求的電流。要解決這個問題，充電器的 IV 特性必須要與系統負載 IV 特性相匹配。
充電器的輸出特性
我們將討論一種鋰離子電池充電器，這是由于它具有幾個充電階段，而這些我們已經討論過的概念可以被輕松地應用到其他充電器化學技術中去。圖 2 顯示的是其與充電器輸出電壓 VSYS 相關聯時充電器的電流情況。如果沒有電池并且充電器沒有通電，則初始電壓為 0V。當向充電器加電時，由于輸入與輸出之間存在內部上拉電阻（~500 Ohms），充電器的輸出電壓開始上升。短路模式低于 1 伏，其設計目的是最小化 OUT 引腳短路期間的功耗。
一旦高于短路閾值 (0.8～1.4V)，充電器便會進入預充電模式。預充電對深度放電的電池進行恢復，或決定該電池組是否受到破壞以及是否需要終止充電。預充電電流約為快速充電電流的 1/10，但是某些充電器可以單獨編程控制這一水平。預充電模式在 ~3V 時轉為快速充電恒定電流，這時便獲得了編程控制快速充電恒定電流。充電器決不會提供比這種編程控制電流電平更多的電流。電壓在 4.2V 時達到恒定電壓模式后，輸出得到調節，并且能夠提供達到編程控制電流電平的電流。如果負載電流降至終止閾值，則充電終止，除非終止功能失效。
圖 2 鋰離子充電概述——充電電流和電壓輸出
表 1 列出了每一個階段的電流。
| 充電器模式 | 典型的電壓范圍 | 可用電流 | 等效功率 | |
| 短路模式 | 0～1.0 V | 500 ohms 或 ~8mA | 8 mW | |
| 預充電模式 | 1～3 V | 100 mA | 100～300 mW | |
| 快速充電模式 | 3～4.2 V | 1000 mA | 3～4.2 W | |
既然我們知道有多少電流來自充電器，那么就需要一個系統負載分析來確認設計是否適合無電池運行。
表 1 充電模式和可用電流及功率
系統負載特性
電阻性負載會吸收電流，該電流與施加的電壓成比例關系，并且可出現在上電階段。在無電池上電時，低于 125 Ohms (ISINK = 1V/125 Ohms = 8mA) 的電阻可以阻止充電器退出短路模式。
一般而言，一個 DC/DC 降壓轉換器在其輸入電壓接近其調節輸出電壓時才被啟用。由于轉換器的輸出電壓固定，因此其負載通常恒定不變，這樣其輸入電流便與其電壓成反比關系。圖 3 中的兩條曲線顯示了流入一個 1.8V 和 3.3V DC/DC 轉換器的輸入電流與輸入電壓之間的對比關系。您可以看到，電壓上升則電流下降，反之亦然。
一般來說，電容性負載在轉換器的輸入端并不是一個問題，同時它會減緩上電，除非一個定時事件結束從而引起重置或進一步加載。上電時轉換器輸出的電容性負載可能會帶來峰值功率要求，同時如果該轉換器具有軟啟動特性，則這種負載可以降低。
脈沖負載會加給其他靜態負載，并且這種情況隨時可能發生，因此我們在進行無電池操作時應該特別注意，要確定峰值負載不會超過可用充電器源電流。
圖 3 DC/DC 轉換器輸入電流與輸入電壓的關系：A）錯誤的上電順序；B）正確的上電順序
源電流和系統負載電流對比
應該考慮的對比共有兩種：靜態 DC 對比和實時上電及運行對比。DC 對比只在特定系統電壓下將系統負載電流與可用充電器源電流對比。圖 3 顯示了系統電壓變化時的總負載電流和可用充電器電流。上電初始，電阻性負載電流接近于可用充電器的短路電流。因此，設計人員或許想確保輸出電壓能夠充電至預充電區域。在預充電中，當 1.8V 轉換器在 1.6V 開啟時，總電流會略微超過預充電電流。一種解決方案是在 VSYS = 1.8V 時開啟該轉換器，這樣負載電流就會下降，所圖 3b 所示。同樣地，3.3V 轉換器可在 2.8V 開啟。延遲開啟直至 VSYS 達到 3.1V，將會把加負載移動到快速充電區域中，從而防止出現加載問題。既然已經分析了靜態問題，最好是馬上進行一次運行測試。
實時運行對比有助于理解負載瞬態時間，并確定峰值負載不會超過可用源電流。將系統負載連接至一個實驗室電源就可以進行一個簡單的測試。在回路中插入一個 100m Ohm 電阻，并設置電源電壓為 4.2V。如圖 4 所示連接示波器探針，以捕獲電壓和電流。使用單序列觸發器時，設置示波器到電壓波形，并開啟實驗室電源。利用熱插拔，可重復該測試。通過電流觸發（剛好設定在充電器編程控制電流閾值以下）可實現連續運行測試，同時以系統各種運行模式來運行系統。應該在整個系統的 VSYS 運行范圍中進行這種測試。如果示波器得到觸發，則需檢查電流脈沖并確定負載是否過高。
圖 4 捕獲實時工作電流與電壓波形關系的設置
系統：可運行、循環開/關或鎖閉（崩潰）
沒有電池時理想的運行模式是可用充電器電流始終高于系統負載電流，從而實現穩定的運行。在這種模式下，系統電容充電至調節電壓，快速充電電流逐漸減小至與系統負載電流相等。只要系統電流低于編程控制的快速充電電流，系統就會保持在這種穩定的狀態模式下。如果負載電流超過了可用充電電流，則進入循環或鎖閉狀態，這是由于 DC/DC 轉換器在低系統電壓下需要更高的電流。如果系統電壓下降使得轉換器關閉，則系統電壓會在下一個過電流負載以前恢復。這種循環模式一般被稱為“打嗝”模式。
無電池運行或測試設計技巧
建立一個與表 1 相類似的表格，或繪制一幅如圖 3 所示的充電器電流曲線圖，以便定義系統的絕對最大負載邊界。在系統電壓范圍內所有運行模式下運行系統，并定義可以開啟的系統，以及處于最大負載邊界以下的時間。最佳解決方案是只在充電器處在快速充電模式下時才開啟系統。絕不要讓負載大于有效最小快速充電功率（例如：表 1 中 3 瓦特的快速充電模式）。由于充電器輸出功率和系統負載功率均為 VSYS 的函數，因此您可以比較該功率或電流得出相同的結論。
因此，設計人員應該讓系統功率要求維持在最小充電器功率輸出以下，或者使峰值系統電流要求維持在編程控制充電器輸出電流以下，以此來保證連續的系統運行。
總結
由于電池始終都可以用作任何可能出現的峰值負載的備用電源，因此利用適配器和電池驅動電子產品十分簡單。唯一的問題是，平均充電器電流大于平均負載電流，這樣電池便不會被放電了。如果需要無電池運行，則需要特別注意負載電流不能超過充電器源電流。否則，系統電壓就可能會崩潰，并卡在低功率電流限制狀態。通常，短路和預充電模式會是出現問題的地方。避免在這些模式下滿負載運行可以解決大多數問題。
參考文獻
如欲了解該電池解決方案和其他電池解決方案的更多詳情，敬請訪問：www.power.ti.com。
作者簡介
Charles H. Mauney 現任 TI電池充電器高級應用工程師，主要負責充電器定義、應用、培訓和支持工作。Mauney 畢業于新墨西哥州亞柏克爾克市新墨西哥大學 (University of New Mexico in Albuquerque, New Mexico)，獲電子工程理學士學位和機械工程理學士。