用NiMH電池來取代鋰電池的電路設(shè)計方法

       鎳氫化合物(NiMH)電池要替代鋰電池，需要設(shè)計一個接口電路來模仿鋰電池隨著放電而下降的電池端電壓，并采用一個高效的升壓電路將NiMH電池輸出電壓提高到鋰電池的電壓。本文介紹的電路通過在NiMH電池與鋰優(yōu)化電源管理電路之間提供一個接口實現(xiàn)這種設(shè)計。

       鋰電池正在成為便攜設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置，鋰電池具有用戶所期望的特性，但通常鋰電池的交貨時間比較長。因此，特別是小公司，希望有一種替代電池產(chǎn)品作為備份。比較理想的情況是，替代電池應(yīng)該具有相同的性能、尺寸和成本。目前，鎳氫化合物(NiMH)電池仍在廣泛使用。它們比鋰電池便宜很多，尺寸也非常小(現(xiàn)在已經(jīng)有AAAA型電池)。要模仿鋰電池，需要設(shè)計一個接口電路來模仿隨著放電而下降的電池端電壓。鋰電池的標(biāo)稱端電壓(3.6V)大約為NiMH電池端電壓(1.2V)的三倍，可以采用一個高效的升壓電路將NiMH電池輸出提高三倍。

       但是，由于在關(guān)機(jī)期間不斷工作的電路仍在消耗不必要的電能，而NiMH電池的等效漏電流(靜態(tài)電流)就高達(dá)200mA，這是不能接受的，因此必須在關(guān)機(jī)期間提供電源控制能力。

       新的設(shè)計方法不是在關(guān)斷情況下保持三倍NiMH電壓，而是使電路以突發(fā)模式工作，僅在電路輸出電壓下降到一定的閾值以下時才啟動升壓電路。當(dāng)輸出電壓達(dá)到上限時，停止升壓，讓輸出電容器通過輸出負(fù)載和NiMH電路放電，這樣輸出電壓就形成鋸齒波形。另一方面，如果電池電壓下降到低于下限，則電路處于休眠狀態(tài)以免損壞電池。

  圖中所示的電路通過在一個NiMH電池與鋰優(yōu)化電源管理電路之間提供一個接口實現(xiàn)了上述想法。電路狀態(tài)由模式輸出控制，如果是高電平則輸出鋸齒波，低電平輸出3倍的電池電壓。連接成積分電路的運算放大器通過驅(qū)動U1的反饋節(jié)點，產(chǎn)生三倍于電池電壓的輸出電壓。

 

       為避免與U1的內(nèi)部誤差比較電路形成相互干擾及濾除噪聲，應(yīng)選擇較大的積分時間常數(shù)。在低功率模式下，采用一個mP監(jiān)管IC(U2)來監(jiān)測輸出電壓，并控制U1。電路中的電阻串與U2一起將該器件的輸出電壓控制在大約2.4V到4V之間。

       最后，當(dāng)電池電壓下降到低于一般為0.9V的閾值時，升壓器必須總是關(guān)斷。此關(guān)斷動作由升壓器自身的內(nèi)部比較器來完成，并且Tiny Logic網(wǎng)絡(luò)根據(jù)模式控制輸入狀態(tài)、斜坡電壓門限檢測器U2和U1的內(nèi)部電池比較器來選擇正確的工作模式。為保證當(dāng)輸出為0V時邏輯網(wǎng)絡(luò)從1.0V啟動，邏輯網(wǎng)絡(luò)必須直接從電池供電。當(dāng)輸出電壓下降到0.9V時，所有邏輯正常工作電壓的下限為0.9V，低于0.9V，電池即處于耗盡狀態(tài)。

       采用如圖所示的元件，鋸齒波的占空比為10%。注意電路有一個電壓鎖定狀態(tài)，工作在鋸齒波模式時，U2的上限必須總是低于U1的最大輸出。否則，U2將不關(guān)斷U1。U1的最大輸出由電阻串R9-R10的FB節(jié)點設(shè)置(因為在低功率模式下運算放大器處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，不會從FB結(jié)點獲取電流)。

       這里沒有包括鋰電池充電的接口。但是，可以用p溝道MOSFET與充電器和電池串聯(lián)來實現(xiàn)這個接口功能。將p溝道MOSFET與電池、一個充電器串聯(lián)起來，在MOSFET的充電器側(cè)加上一個運算放大器將電壓提升到3.3V。