电容分压充电的基本原理

关键字 :RichtekRT9759

摘要:电容分压充电的效率高,空间占用小,适用于快速充电应用,本文提供其工作原理的分析过程。

RT9759 是一款智能型的电容分压充电 IC,它能提供 8A 的电流输出能力,工作中的最高效率可以高达 97.8%,因而可以以极高的速度为电池充电,但附带产生的热损耗却是极低,有效地降低了热问题的处理难度。下面的两幅图分别是 RT9759 的应用电路图和内部结构图:

能够与电容分压充电 IC 配合工作的电源供应器必须是智能化的可程控电源,它的输出电压必须是可以精确设定的,这样就可以使其提供的电压刚好是电池电压的 2 倍,从而满足电容分压充电的要求,实现安全、快速的充电。

如上图所示,电容分压充电 IC RT9759 的内部含有两组各四个完全对称的 MOSFET 功率开关 Q11、Q12、Q13、Q14 和 Q21、Q22、Q23 、Q24,这些开关在进入应用电路中以后和外部的电源输入、电容和电池连接起来形成如下图所示的电路结构:

电路中用于组别划分的开关序号中的 1 和 2 已经被省略,因而只剩下 Q1、Q2、Q3  和 Q4,它的工作分为两个阶段。

阶段 1:Q1、Q3 导通,Q2、Q4 截止,此时有等效电路如下:

来自电源总线的电流直接流过电容 CFLY 和 BAT,而且有

  (1)

阶段 2:Q1、Q3 截止,Q2、Q4 导通,此时有等效电路如下:

现在电容 CFLY 和电池 BAT 并联了,造成 VCFLY 高于 VBAT 的电能将流入电池 BAT 为其充电,并最终实现下式所示的关系:

      (2)

我们将 (2) 式代入 (1) 式再化简就可得到下式:

    (3)

不考虑电路工作造成的损耗,则来自电源总线的输入功率与电池得到的功率是相等的,即

     (4)

将 (3) 式代入 (4) 式就可以得到下式:

    (5)

上述推理得到的 (3) 式说明电池电压是电源总线电压的一半,(5) 式说明电池电流是电源总线电流的 2 倍,这说明电容分压电池充电电路具有将电压折半而将电流加倍的效果。

到这里,电容分压充电电路的原理便已经被说清楚了,至于为什么 IC 内部要搞出两套同样的电路,我们可以简单说明一下。当两个开关在进行同步切换的时候,你很难保证它们的动作总是同步的,这样就很难避免两个不该同时导通的开关出现同时导通的现象。假如 Q2、Q3 同时导通了,CFLY 的两个电极便会短路,电容便会出现自放电的现象。假如 Q1、Q4 同时导通了,VBUS 和 GND 之间便出现短路现象。这两种现象都是不能被容许的,所以就有必要在开关的切换过程中加入所谓的死区时间来避免切换过程中的不可靠状态出现,这在以开关方式工作的转换器中是很常见的做法,有经验的工程师们甚至还要在这样的地方花很多功夫去检查、调试,IC 设计中也要花功夫去避免这样的问题出现,实在是很辛苦。如果我们将这样的死区时间变成一个合理的节拍,让两组电路轮流切换、充电、放电,这个问题就很容易地被避免掉了。而使用两组电路带来的好处也很明显,每一组电路的电流负担减轻了,效率也可以得到提高,实在是一件一举多得的事情。

在电容分压充电电路中,电容的作用是储能,但与使用电感来储能的状况有非常明显的不同。它的储能状况是用电压来表达的,在没有电流流动的情况下,它的储能就不会发生变化,也就是它的电压不会发生变化,这时候通过开关的作用把这部分能量在电路中挪动,简直就像飞行中的存储器一样,我想这是这个电容被使用 FLY 这个英文单词来形容的原因。

在我们使用电容来完成充电过程的时候是不方便进行电流控制的,那样做必然会造成损耗问题,电路也将变得很复杂,而且充放电的时间消耗将会出现,所以使用这种架构进行充电的时候需要使用具有电流精密控制能力的供电装置来避免过流状况的发生。前面还说了要求其供电源必须具备精确的电压调节能力,所以与之配合的电源就必须是电压和电流都可以精密控制的,USB PD 协议 3.0 版本要求的可程控电源 PPS 恰好符合这样的要求,所以现在市场上供应的支持这样的应用的电源几乎都是以 PD 为基础的,我们介绍过的华为 40W 超级充虽然没有使用 PD 协议,但它使用的 SCP 协议也同样支持对电压、电流的精确设定,所以也属于同样的产品类别,而立锜已经非常善于提供符合这种需求的各种解决方案,完全可以被称为是这类应用的专家,你可以放心地与立锜进行合作来完成这样的产品开发。

本文所有图片和公式均截取自 RT9759 的规格书,但是在表现形式上有所改变,欲知详情可点击前往了解更多

原文发表于立锜科技微信公众号,那里有更多内容可供参考,欢迎扫码关注。




 

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