USB接口實現鎳氫鋰電池智能充電的方法

2022/04/08

作者:iflowpower——便攜式電站供應商

概述 通用串行總線 (USB) 端口是一種帶電源和接地的雙向數據端口。 USB 可以連接所有類型的外圍設備,包括外部驅動器、存儲設備、鍵盤、鼠標、無線接口、相機、照相機、MP3 播放器以及許多獨特的電子設備。這些設備有許多電池供電,有些帶有內置電池。

在電池充電設計方面,廣泛使用的USB既帶來了機遇,也帶來了挑戰。本文介紹瞭如何將簡單的電池充電器與 USB 電源連接。文章回顧了 USB 電源總線的特性,包括電壓、電流限制、浪湧電流、連接器和電纜連接問題。

同時介紹了鎳氫和鋰離子電池技術、充電方法和充電終止技術。給出了一個完整的示例電路,實現了USB口給鎳氫電池充電,並給出了充電數據。 USB 特性 USB 總線可以為小功率電子設備供電。

母線電源與電網隔離,穩定性好。但是,當前電流的數量有限,並且負載與主機或電源之間存在潛在的互操作性。 USB端口由90ohm組成;雙向差分屏蔽雙絞線、VBus(+5V電源)和。

這4條線由鋁箔內屏蔽層和編織在線屏蔽層屏蔽。最新的 USB 規範標準是 2.0 版,您可以從 USB 組織免費獲得。

要達到標準標準,必須通過功能控制器實現設備和主機之間的雙向通信。通常意味著 1 單位負載為 100mA(最大值)。任何設備都允許最大電流為 5 個單位。

USB端口可分為低功率端口和大功率端口兩種,低功率端口可提供1個單位負載電流,大功率端口可提供5個單位負載電流。當設備剛剛連接到 USB 端口時,枚舉過程會識別設備並確定其負載要求。在此過程中,僅允許設備從主機承擔最多 1 個單位的負載。

枚舉過程完成後,如果主機的電源管理軟件允許,大功率設備可以學習更多的電流。一些主機系統(包括下游 USB 集線器)通過熔斷器或有源電流檢測器提供電流限制功能。如果 USB 設備不進行枚舉過程,則從 USB 端口吸收大電流(超過 1 單位負載),主要機會檢測到過流狀態並關閉正在使用的一個或多個 USB 端口。

市場上供應的許多USB設備,包括獨立的電池充電器,沒有功能控制器來處理枚舉過程,但吸收的電流超過100mA。在這種不適當的條件下,這些設備可能會導致問題。例如,如果將一個500mA電流的設備插入到總線供電的USB集線器中,正確的枚舉過程可能會導致集線器端口和主機端口過載。

主機操作系統在使用高級電源管理時更加複雜,尤其是筆記本電腦,它總是希望盡可能低。在某些省電模式下,電腦會向USB設備下發待處理命令,則認為設備進入了低功耗模式。該設備包含一個可以與主機通信的功能控制器始終是更好的方法,即使它是關於低功耗設備。

USB 2.0規範非常全面,電源質量、連接器結構、線纜材質、允許壓降和浪湧電流等。小電流和大電流端口有不同的功率指標。

這對於確定主機和負載之間的連接器中的電壓降和電壓降很重要,包括 USB 提供的集線器上的電壓降。包括一台電腦或一台主機,一台主機,一台主機,一個大電流端口,最大500mA的電流。無源、總線供電的 USB 集線器具有低電流端口。

表 1 列出了 USB 大電流和小電流端口上游(電源)引腳允許的電壓容差。表 1.USB2。

0 規格 電能質量標準 ParameterRequirementDcVoltage, High-PowerPort * 4.75VTO5.25VDCVOLtage, Low-PowerPort * 4.

40VTO5.25V 最大靜態電流(低功耗,掛起模式)500µAmaximumquiescentcurrent (HighPower, Suspendmode) 2500µAmaximumAllowableInputCapacitance(負載側)10µFMinimumRequiredOutputPutcapacitance(主機端)120µ飛±20% MaximumallowableinRushchargeIntoload50µC * 這些指標適用於上游主機或集線器端口的連接器引腳。需要考慮電纜和連接器上的 IXR 壓降。

在符合USB2.0規範的主機中,大功率端口上游端有120µF、低ESR電容。連接的 USB 設備的輸入電容限制為 10µF、在初始負載連接階段,從主機(或自供電集線器)獲得的最大充電量允許為50µC。

這樣,當新設備連接到USB端口時,上行端口的瞬態電壓小於0.5V。如果在負載正常工作的情況下要加大輸入,則必須提供浪湧電流限制器,以保證對更大電容充電時電流不超過100mA。

USB端口由總線電源供電時,Hub連接到小功率設備,壓在USB端口上的直流電壓如圖1所示。當大功率負載連接到總線時,電壓降將超過圖1給出的指標,並會導致總線過載。圖1。

主機對小功率負載的壓降較大,在圖中給定的允許直流電壓時造成母線過載。電池充電需要單節鋰離子和鋰聚合物電池當今的鋰離子電池充電到最大額定容量,其電壓通常在4.1V到4之間。

2V。當前市場正在銷售更新的更大電池,電壓範圍在 4.3V 到 4 之間。

4V。典型的棱柱形鋰離子 (Li+) 和鋰聚合物 (li-poly) 電池容量為 600mAh 至 1400mAh。對於鋰+和鋰多電池,優選的充電曲線以恆流充電開始,持續到電池電壓達到額定電壓。

然後充電器在電池兩端的電壓上進行調整。這兩種調節方式構成了恆流(CC)恆壓(CV)充電方式。因此,這類充電器通常被稱為CCCV充電器。

CCCV充電器進入CV模式後,電池的充電電流開始下降。如果典型的充電速率為 0.5c 到 1。

5c 充電,當電池達到其滿容量的 80% 到 90% 時充電器轉換為 CV 模式。一旦充電器進入CV充電模式,就會監測電池電流;當電流達到最小閾值(幾毫安或幾十毫安)時,充電器終止充電。鋰離子電池的典型充電曲線如圖 2 所示。

圖 2. 使用 CCCV 充電器充電時的典型曲線,從圖 1 所示的 USB 壓降指標來看,端口供電集線器的下游低功率端口電壓沒有足夠的餘量,難以給電池充電到 4.2五。

充電路徑上存在的少量附加電阻會阻礙正常充電。 LI + 和 Li-Poly 電池應在合適的溫度下充電。製造商推薦的最高充電溫度通常為 +45°C 至 +55°℃之間,允許的最高排氣溫度可高於10℃°C班走了。

這些電池使用的材料,化學性質非常活潑,如果電池溫度超過+70°C、會發生燃燒。鋰離子電池充電器應具有監控電池溫度的熱關斷電路。如果電池溫度超過製造商建議的最高充電溫度,則終止充電。

鎳氫電池(NIMH) 鎳氫電池比鋰離子電池更重要,其能量密度也低於鋰離子電池。鎳氫電池一直比鋰離子電池便宜,但最近兩者的價格差異正在縮小。鎳氫電池具有標準尺寸,可在大多數應用中替代鹼性電池。

每節電池標稱電壓為1.2V,充滿後會達到1.5V。

通常在恆流源中為 NIMH 電池充電。充滿後,發生熱化學反應,導致電池溫度升高,電池側電壓降低。檢測電池溫升率或負電壓變化率,終止充電。

這些充電終止方法分別稱為 DT/DT 和 -V。當充電率很低時,DT/DT和-V不明顯,很難準確檢測。當電池開始進入過充電狀態時,DT/DT和-V響應開始出現。

此時,如果繼續充電,電池就會損壞。當充電速率大於C/3時,終止檢測容易得多。溫升速率約為1°C /分鐘,-V響應比低充電率更明顯。

快充結束後,建議用更短的時間以更小的電流將電池完全充滿(充電充電)。充電階段完成後,使用C/20或C/30補償自放電效應,使電池保持在充滿狀態。圖 3 顯示了使用 DS2712NIMH 充電器為 NIMH 電池(提前一部分電量)充電的電池電壓曲線。

在這個圖中,上面曲線的數據是在電池內有充電電流時得到的,下面曲線的數據是在切斷電流時測得的。在DS2712中,電壓差用於區分鎳氫電池和鹼性電池。如果檢測到鹼性電池,DS2712 不會對其充電。

圖 3. 使用 DS2712 充電控制器為 NIMH 電池充電。

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