電池充電電源噪聲的分析和解決思路

    設(shè)計(jì)電池供電的產(chǎn)品時(shí)，工程師需要保證電池在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的適用性。相關(guān)測(cè)試常采用專(zhuān)用電池測(cè)試設(shè)備，但有時(shí)工程師會(huì)轉(zhuǎn)而采用標(biāo)準(zhǔn)的通用程控電源對(duì)電池充電，并用電子負(fù)載對(duì)電池放電。
    這類(lèi)在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)電源構(gòu)成的測(cè)試方案比專(zhuān)用電池測(cè)試設(shè)備更加靈活。這是因?yàn)榭梢詫?duì)標(biāo)準(zhǔn)電源和電子負(fù)載進(jìn)行編程控制，使其能夠提供多種充放電配置，從而滿足特定的不同應(yīng)用需求。
    首先來(lái)看將標(biāo)準(zhǔn)程控電源用于鋰離子電池充、放電循環(huán)過(guò)程的充電階段典型步驟（圖 1 ）。電源按照電池的規(guī)格設(shè)定充電電流大小，以恒定電流（CC）的工作方式開(kāi)始充電。電池開(kāi)始充電后，其內(nèi)部電壓會(huì)升高。隨著充電過(guò)程持續(xù)，電池電壓逐漸達(dá)到其開(kāi)路電壓。
   

    圖1：鋰離子電池的典型充放電循環(huán)。

  

    圖中文字中英對(duì)照

    在該點(diǎn)，電源將達(dá)到其程序設(shè)定的電壓上限（可通過(guò)編程將上限值設(shè)為電池開(kāi)路電壓），然后其將進(jìn)入恒定電壓（CV）工作模式。進(jìn)入 CV 模式后，電源對(duì)電池的輸出電流開(kāi)始下降，對(duì)電池的電壓則保持恒定。
    一般會(huì)希望充電電流低于設(shè)定的截止值時(shí)終止充電。比如說(shuō)，在對(duì)汽車(chē)電池等大型電池充電時(shí)，可設(shè)最大充電電流為 20 A，截止電流為 50 mA。達(dá)到截止電流值后，電池可視為已充滿，應(yīng)停止充電，電池充放電循環(huán)進(jìn)入下一階段，通常會(huì)靜置一段時(shí)間。
    首先，要考慮使用何種設(shè)備測(cè)量電池充電電流。由于討論的是大電流充電，使用電流計(jì)測(cè)量并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)樽畲箅娏髦悼赡艹^(guò)常見(jiàn)數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）的電流量程。因此假設(shè)使用電源內(nèi)置的電流測(cè)量功能來(lái)測(cè)量充電電流。稍后再來(lái)談這個(gè)問(wèn)題。
    如上所述，要終止充電，需要測(cè)量電流值并將測(cè)量值與截止值進(jìn)行對(duì)比。如果電流測(cè)量時(shí)有噪聲干擾，將很難確定何時(shí)終止充電。與最大充電電流相比，截止電流閾值很低，這意味著需要在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)測(cè)量電流。因此，在較低電流環(huán)境下，噪聲是個(gè)大問(wèn)題。
    回想一下剛才提到的大型電池充電的例子，該電池的充電電流值為 20 A，截止電流值為 50 mA。如果充電電流為 20 A 時(shí)噪聲為 100 mA，則噪聲會(huì)導(dǎo)致 0.5% 的測(cè)量誤差，這也許可以容忍。但是，100 mA 的噪聲會(huì)導(dǎo)致 50 mA 的截止電流難以測(cè)量，使得測(cè)試人員難以確定何時(shí)終止充電。
    電流測(cè)量噪聲源的分析
    來(lái)看看測(cè)試環(huán)境（圖 2）。這是一個(gè)很簡(jiǎn)單的測(cè)試環(huán)境，電源與需要充電的電池相連。常將電池視作含有串聯(lián)內(nèi)阻的理想電池。可使用專(zhuān)用電池測(cè)試設(shè)備或LCR 表通過(guò)交流電阻（ACR）測(cè)量獲得內(nèi)部電阻值。 

    圖2： 充電電源對(duì)低內(nèi)阻電池充電
   

    圖中文字中英對(duì)照

    大型電池的內(nèi)阻多為數(shù)十毫歐姆，小型電池的內(nèi)阻多為數(shù)百毫歐姆，而像紐扣電池這樣更小的電池，內(nèi)阻可能達(dá)到幾個(gè)歐姆。但在本例中討論的對(duì)象為大電流電池，因此設(shè)電池內(nèi)阻為數(shù)十毫歐姆。
    電池充電電源輸出端存在電壓噪聲。量程10 V的電源輸出噪聲為10 mV峰峰值是很普遍的。圖 3 描繪了電池和電源的簡(jiǎn)單模型，標(biāo)明了阻抗和噪聲源。頻率低于 100 Hz 時(shí)，RPS_OUT 趨近 0 Ω。電源的輸出電壓噪聲表現(xiàn)為與直流輸出串聯(lián)的交流電壓源。該交流電壓（即噪聲）又表現(xiàn)為通過(guò)電池內(nèi)部較低阻值的串聯(lián)電阻的交流電流，根據(jù)歐姆定律：INOISE = VNOISE / (RPS_OUT + RCELL)。

    圖3： 連接好這個(gè)更復(fù)雜的充電電源模型，對(duì)低內(nèi)阻電池進(jìn)行充電

    電流測(cè)量結(jié)果中的噪聲并非測(cè)量噪聲。這種噪聲實(shí)際上是真正的電流噪聲，這是由電源輸出電壓噪聲轉(zhuǎn)換為電池內(nèi)阻電流造成的。因?yàn)殡姵貎?nèi)阻很低，使用低噪聲電源也會(huì)在電池中造成電流噪聲。
    改善截止電流的方法
    如上述分析，電源測(cè)量充電截止電流的噪聲來(lái)源于電源電壓輸出噪聲，最簡(jiǎn)單的方法就是對(duì)測(cè)量結(jié)果求平均。通過(guò)幾秒甚至一分鐘的長(zhǎng)積分時(shí)間電流測(cè)量，可以將交流分量過(guò)濾，通過(guò)這種方法可以獲得穩(wěn)定的直流電流值，然后再與截止閾值對(duì)比。
    但如果電源本身不可設(shè)定電流測(cè)量積分時(shí)間怎么辦？在這種情況下，可以進(jìn)行多次測(cè)量，將測(cè)量值輸入電腦求其平均值，并用平均值與截止電流對(duì)比。
   

    圖4： 電源對(duì)低內(nèi)阻電池充電時(shí)，可添加電感器來(lái)降低噪聲

    圖中文字中英對(duì)照

    另一種方法是將電感器與電池串聯(lián)（圖 4）。電感在低頻下阻抗較低，高頻下阻抗較高。根據(jù)歐姆定律，得到 INOISE = VNOISE/(ZPS_OUT + ZINDUCTOR + ZCELL)，隨著頻率提高，ZINDUCTOR 逐漸增大，成為分母中的最大值。因此，隨著頻率升高，電流噪聲（INOISE）逐漸降低。
    因此，在高頻下，電感將成為噪聲的低通濾波器和衰減器。這種方法可以清除噪聲，可以更好地確定是否達(dá)到直流截止電流。理想情況下，電感濾波器的截至頻率可以做到10 Hz左右，大幅降低近直流電流的感應(yīng)噪聲電流。設(shè)充電電流為 20 A，電池串聯(lián)電阻 10 mΩ，需要使用數(shù)百微亨的電感。
    需要注意的是，這個(gè)電感需要能承受 20 A 的充電電流，因此不能采用小型表面貼裝元件，可利用環(huán)形鐵芯上纏繞線圈來(lái)制作合適的電感。