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用电压和电流控制器TSM102设计SMPS型电池充电器
Design SMPS Battery Charger with Voltage and Current Controller TSM102
■毛兴武 姜宇
意法半导体公司生产的电压与电流控制器TSM102,采用16脚DIP或16脚SO塑料微型封装,内置双运算放大器、双比较器和精密电压参考。

TSM102可以承受直到36V的电源电压。在VCC-接地时,VCC+=5V即可使IC正常工作。精密电压参考从Vref(2.5V)到36V可调(精度为1%或0.4%),灌电流容量为1 100mA。每个运算放大器的电源电流为200 A,输入失调电压典型值为1mA,输入失调电流典型值为5nA,输入偏置电流典型值为20nA,共模抑制比是90dB,增益带宽乘积(GBP)为2.1MHz,输出短路源/灌(source/sink)电流均为6mA,输入共模电压范围包含地,低电平输出电压接近Vcc-(仅为0.1V)。每个比较器电源电流也是200 A,输入偏置电流<250nA,输入失调电压<5mA,输入失调电流50nA,输入共模电压范围包含地,低电平输出电压为0.25V(典型值),输出灌电流达16mA。

TSM102在电源管理或数据测量系统等许多应用中,为节约成本和空间提供了解决方案。

由TSM102组成的开关电源(SMPS)型电池充电器次级侧电路如图所示。在这种充电器电路中,TSM102提供电压和电流控制及低电池(电压)检测与充电终止检测等功能。

TSM102工作电压由变压器(T1)次边附加绕组Ns2、二极管D2、晶体管Q2和C6、C7、R20、R21及TSM102中的电压参考组成的辅助DC稳压电源提供。通常在Q2的基板需连接一只齐纳二极管,因本电路使用了TSM102中的电压参考,故可将其省略。

充电器电流和电压的调节由TSM102中运算放大器OA1和OA2履行。第一个放大器OA1感测流过电流传感电阻RS的电流,并与参考电压R9与R3、R4分压电压进行比较。第二个放大器OA2将充电器输出电压经R16T R17、R18分压与非反相端上的参考电压进行比较。当OA1和OA2的任一个运算放大器输出低电平时,二极管D4或D5导通,光耦二极管导通,从而将信息反馈到变压器初级侧的PWM控制器。C2和C3用作调节环路的补偿。

充电器输出电压经R6和R7分压输入到第一个比较器C1的反相输入端(脚2),并与IC脚3上的参考电压(Vref)比较,保证"低电池"信号产生。充电器电路的改进之一是加入了Q1,履行较低电流控制管理。当电池电压在"低电池"电平以下时,Q1导通,对其并联电阻R4起分流短路用。第二个比较器C2将充电器输出电压经R16与R17、R18的分压电压与参考电压相比较,保证产生一个"充电终止"信号。当两个比较器中的任意一个被激活时,LED1或LED2则导通(亮)。充电器通电工作由LED3指示。

通过TSM102的控制作用,保证了充电器恒流(CC)和恒压(CV)操作。

该充电器电路可对两节Li+电池充电,充电电压为2 4.2V=8.4V。通过电流检测电阻Rs(0.375 )的电流即为充电电流。由于电压参考(相当于TL431)的阴极输出电压(脚9)被固定于Vref(2.5V),所以Rs两端的电压降为:

V_{RS}={Vref(R3+R4)}\over{(R9+R3+R4)}
={2.5V (390 +820 )}\over{(10000 +390 +820 )}
=0.27V

充电电流为:
I=I_{RS}={V_{RS}}\over{R_{S}}={0.27V}\over{0.375 }=720mA
Rs的功耗为:

PRS=IV=720mA 0.27V=194mW

在"低电池"条件下,R4因Q1导通被短路,充电电流降低,其数值为:
I_{LOBatt}={R_{VS}}\over{R_{S}}={[refR3(R9+R3)]}\over{R_{S}}
=[2.5V 390 /(10000 +390 )]/0.375
=250mA

"低电池"电平为:

VOUT(LOBatt)=Vref/[R7/(R6+R7)]
=2.5V/[10K/(12.4K+10K)]
=5.6V

充电器输出电压为:

VOUT=Vref/[R18/(R16+R1)+R18]
=2.5V/[56 /(131.5 +0.68 +56 )]
=8.4V

充电结束电压为:

Vout(EOC)=Vref/[(R18+R17)/(R16+R7+R18)]
=2.5V/[(56 +0.68 )/(131.5 +0.68 +56 )+8.3V

         
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