隨著各種蓄電池的廣泛使用，快速充電技術已經引起人們的廣泛重視。傳統的充電方法充電時間過長，且由于充電過程過于簡單而會使蓄電池壽命縮短，因此已經面臨淘汰。相應的，一些新的快速充電方法開始涌現，并已應用于生產實踐中。本文中從快速充電原理、電路特點、相關解決方案及參考設計進行全面解析與分享。
快速充電原理
蓄電池的種類很多，目前應用最廣的主要是密封鉛酸蓄電池和鎳鎘電池。這2種蓄電池的充放電原理都是一樣的，即都是通過化學反應產生正負離子形成電流。
電池在充放電的過程中會產生氧氣，在密封式蓄電池中，這些正極產生的氧氣可以通過隔膜和氣室被負極吸收，整個化學反應形成一個循環的反應形式。就密封式電池而言，它的內壓有限，因此負極的吸收速度也是有限的。如果充電電壓過高，正極產生氧氣的速度過快，負極的吸收速度跟不上氧氣的產生速度，長時間之后必然造成電池失水，從而誘發電池的微短路硫酸化等失效現象，損害電池的質量，縮短其使用壽命。同時高速率充電時電池的極化會造成電池內部壓力上升，電池溫度上升，電池內阻升高，這不僅會縮短電池壽命，而且有可能對電池造成永久性傷害。蓄電池的這一化學反應原理是研究制定快速充電方法的根本。一方面，快速充電要盡量加快電池的化學反應，使充電速度得到最大的提高;另一方面，又要保證負極的吸收能力，使其能夠跟得上正極氧氣產生的速度，同時要盡可能消除電池的極化現象。
提高蓄電池的化學反應速度有2種方式，一是改進蓄電池的結構以降低其內阻和提高反應離子的擴散速度，二是改進蓄電池的充電方法。
快速充電電路特點
1、輸出電壓設定好后（例如36V），若被充電瓶極板脫落斷開，造成某組電池不通，或出現短路，則電瓶端電壓即降低或為零，這時充電器將無輸出電流。
2、若被充電瓶電壓偏離設定電壓，如設定電壓為36V，誤接24V、12V、6V電瓶等，充電器也無輸出電流，若設定為24V誤接為36V電瓶，由于充電器輸出電壓低于電瓶電壓，因而也不能向電瓶充電。
3、充電器兩輸出端若短路時，由于充電器中可控硅SCR的觸發電路不能工作，因而可控硅不導通，輸出電流為零。
4、若使用時誤將電瓶正負極接反，則可控硅觸發電路反向截止，無觸發信號，可控硅不導通，輸出電流為零。
5、采用脈沖充電，有利于延長電瓶壽命。由于低壓交流電經全波整流后是脈動直流，只有當其波峰電壓大于電瓶電壓時，可控硅才會導通，而當脈動直流電壓處于波谷區時，可控硅反偏截止，停止向電瓶充電，因而流過電瓶的是脈動直流電。
6、快速充電，充滿自停。由于剛開始充電時電瓶兩端電壓較低，因而充電電流較大。當電瓶即將充足時（36V電瓶端電壓可達44V），由于充電電壓越來越接近脈動直流輸出電壓的波峰值，則充電電流也會越來越小，自動變為涓流充電。當電瓶兩端電壓被充到整流輸出的波峰最大值時，充電過程停止。經試驗，三節電動車蓄電池36V（12V／12Ah三節串聯），用該充電器只需幾個小時即可充滿。
7、電路簡單、易于制作，幾乎不用維護及維修。
相關快速充電解決方案及參考設計如下文。
一、TI可編程多化合物快速充電管理參考設計
描述
該參考設計是可編程的單片 IC 解決方案，適用于單化學物或多化學物應用中對鎳鎘 （NiCd）、鎳氫 （NiMH） 或鋰離子 （Li-Ion） 電池的快速充電管理。其會選用合適的電池化學物（鎳或鋰），并使用最佳的充電和終止算法執行操作。該過程消除了不良充電、充電不足或過度充電的情況，并確 保快速充電的精確度和安全終止。
特性
串聯電池數：1S 至 25S
最大輸入電壓：25V
最大充電電流：1A
拓撲結構：開關模式
原理圖：
相關器件：
1.BQ2000 具有峰值電壓檢測終端的多化合物、開關模式充電管理 IC
結構框圖：
相關終端應用：
IP 電話：無線
心電圖 （ECG）
2.BQ24170 1.6MHz 同步開關模式鋰離子和鋰聚合物獨立電池充電器
功能框圖：
相關終端應用：
平板電腦：多媒體
視頻會議：基于 IP 的 HD
二、安森美快速充電解決方案詳解
隨著手機的屏幕越來越大，處理器的性能越來越強并升級多核。為保證續航，手機的電池容量也變大，這樣造成充電時間不可避免的變長。如何縮短充電時間已成為手機應用的一大瓶頸。相繼出現基于不同廠商的快速充電解決方案，能夠短暫的時間內有效提升充電效率。
1. 方案框圖
圖示 On Semi方案框圖
2.方案特點
· 通過頻率反走和跳周期模式，減少待機功耗
· 可通過光耦觸發低功耗關閉模式
· 無損過功率補償
· 基于定時器的過功率保護
· 輸出短路保護
· 動態自供電的高壓啟動
· 欠壓監測功能
· 有源 X2 電容放電
· 嚴重故障時閂鎖
· 自動恢復或閂鎖選擇的過流保護
· 空載待機能耗 < 30 mW
· 可調功率過載保護
3.本解決方案主要芯片：
NCP1247是一個新的具有動態自供電功能的固定頻率電流模式PWM控制器。
NCP1247應用實例框圖
NCP1247內部結構框圖
詳細資料：NCP1247：固定頻率電流模式控制器，用于反激式轉換器
NCP4303A / B是一個全功能的控制器和驅動器適合于開關電源電路，實現同步整流。
NCP4303應用實例框圖
NCP4303內部結構框圖
4.On Semi方案照片
三、基于FAN501的快速充電解決方案詳解
隨著手機的屏幕越來越大，處理器的性能越來越強并升級多核。為保證續航，手機的電池容量也變大，這樣造成充電時間不可避免的變長。如何縮短充電時間已成為手機應用的一大瓶頸。相繼出現基于不同廠商的快速充電解決方案，能夠短暫的時間內有效提升充電效率。
1.方案框圖
Fairchild方案框圖
2.方案特點
· 輸出短路保護
· 毫瓦節省技術提供超低的待機功耗，很容易滿足“能源之星 V5.0”
· 恒壓控制時，根據輸入電壓，有兩段固定的 PWM 工作頻率 140kHz/85kHz
· 高壓啟動
· 斷續和連續工作模式實現恒流控制，無需次級反饋電路
· 在連續工作模式有較高的功率密度和轉換效率
· 調頻減少 EMI 噪聲
3.本解決方案主要器件：
FAN501 —用于充電器應用的離線 DCM/CCM 反激式 PWM 控制器
此先進的 PWM 控制器 FAN501 簡化了要求對輸出進行恒流調節的隔離電源的設計。 利用變壓器初級端的信息，并通過內部補償電路進行控制，去除輸出電流檢測損耗，消除外部 CC 控制電路，從而精確估計輸出電流。 具有極低工作電流 （250 μA） 的間歇模式可最大化輕載效率，因此符合世界范圍內待機模式效率指導準則。
產品特性
1）WSaver? 技術提供能量之星 5 星級 （30 mW） 的超低待機功耗
2）在非連續導通模式 （DCM） 和連續導通模式 （CCM） 下，無需次級端反饋電路即可實現恒流 （CC） 控制
3）雙頻率功能根據輸入電壓改變開關頻率 （140 kHz/85 kHz），從而最大化變壓器利用率并提高效率
4）在典型的 10 W 到 15 W 緊湊型充電器應用中，CCM 模式運行中具有較高的功率密度和轉換效率
5）抖頻可降低 EMI 噪聲
6）高壓啟動
7）通過外部電阻調整實現恒流調節，從而精確限制最大輸出功率
8）通過斜坡補償實現峰值電流模式控制，從而避免次諧波振蕩
9）通過外部 NTC 電阻實現閂鎖模式下的可編程過溫保護
10）VS過壓保護（閂鎖模式下），VS欠壓保護（自重啟模式下），VDD過壓保護（自重啟模式下）
11）采用 MLP 4X3 封裝
FAN501應用框圖
FAN501功能框圖
4.Fairchild方案照片
四、基于TI控制器的快速充電解決方案詳解
隨著手機的屏幕越來越大，處理器的性能越來越強并升級多核。為保證續航，手機的電池容量也變大，這樣造成充電時間不可避免的變長。如何縮短充電時間已成為手機應用的一大瓶頸。相繼出現基于不同廠商的快速充電解決方案，能夠短暫的時間內有效提升充電效率。
1.方案框圖
TI方案框圖
2.方案特點
· 少于 10mW 無負載功耗能力
· 針對恒定電壓 （CV） 的光耦合反饋，和針對恒定電流 （CC） 的初級側調節 （PSR）
· 在線路和負載上實現 ±1% 電壓調節和 ±5% 電流調節
· 700V 啟動開關
· 100kHz 最大開關頻率可實現高功率密度充電器設計
· 針對最高總體效率的諧振環谷值開關運行
· 簡化電磁干擾 （EMI） 兼容性的頻率抖動
· 針對金屬氧化物半導體場效應晶體管 （MOSFET） 的已鉗制柵極驅動輸出
· 過壓、低線路和過流保護功能
3.本解決方案主要器件
UCC28740 具有光電耦合器反饋的恒壓、恒流反激控制器
UCC28740 隔離式反激電源控制器使用一個光耦合器件來提供恒定電壓 （CV），從而改進對較大負載階躍的瞬態響應。 通過初級側調節 （PSR） 技術實現恒定電流 （CC） 調節。 這個器件處理來自光耦合反饋和輔助反激式繞組的信息，來實現輸出電壓和電流的精準高性能控制。
UCC28740應用框圖
詳細資料：UCC28740 恒壓、恒流反激控制器
UCC24610 二次側同步整流器控制器
UCC24610應用框圖
4.TI方案照片
(審核編輯: 智匯張瑜)
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