找出並且解決電池充電時電源供應器的雜訊問題

圖1：典型的鋰離子電池充放電週期。

在設計電池供電產品時，工程師必須確保電池在各種應用中可正常運作。工程師雖然可以使用電池測試設備來進行測試，但有時他們會使用市售的標準電源供應器為電池充電，並使用現成的電子負載將電池放電。研發實驗室多半採用標準的電源測試設備，相較於專用電池測試儀，它們的靈活性更高，因為您可透過程式來控制標準的電源供應器和電子負載，以提供各種不同的充放電特性，進而滿足特定的應用需求。

讓我們來看看使用標準電源供應器，在鋰離子電池典型的充放電週期中進行放電的步驟(參見圖1)。開始充電時，可透過程式將電源供應器設定為所需的充電電流，然後以定電流(CC)進行操作，之後電池的電壓便會上升。在充電過程中，電池會充電至開路電壓。當電源供應器達到程控的電壓上限(此上限設定為電池的開路電壓)，便開始在定電壓(CV)模式下操作。

一旦進入CV模式，從電源供應器流入電池的電流便開始下降，而電池的電壓則保持固定。您希望充電電流降到低於預定截止值(cutoff value)時就結束充電。舉例來說，對大型電池(例如汽車用的大型續電池)進行充電時，如果最大充電電流為20A，則截止電流可能是50 mA。一旦電池達到截止值，便可視為充飽電，應停止充電，而電池充放電週期會進入下一個階段，通常是進入休止期。

首先，我們來想想要用什麼樣的儀器來量測電池的充電電流。本文討論的是高電流充電，使用電流錶來量測電流可能不切實際，因為最大電流會超出一般DMM的額定電流。所以，我們假設您使用電源供應器內建的電流量測功能來量測充電電流。我們稍後會回來探討這個議題。

如上所述，為了結束充電步驟，我們需量測充電電流並與截止值作比較。電流量測若有雜訊，則難以確認截止充電步驟的正確時間點。相較於最大充電電流，截止電流臨界值只是很小的電流值，因此您需在很寬的電流動態範圍內進行量測，而雜訊在動態範圍最低處的影響最大。前面提及我們所量測的是最大充電電流為20 A，截止電流為50 mA的大型電池。若在全充電電流為20 A時看到100 mA的雜訊，此雜訊將導致0.5%的量測誤差，這樣的誤差勉強可以忍受。然而，100 mA雜訊會掩蓋50 mA的截止電流，使得我們難以確認要停止充電的正確時間。

認識電流量測雜訊的來源

我們用以下的測試配置來說明(參見圖2)。在這個簡單配置中，電源供應器連接到需要充電的電池，通常是建模成具串聯電阻器的理想電池。量測此串聯電阻時，我們可使用專用電池設備或利用LCR電流錶，來執行交流電阻(ACR)量測。不同電池類型的內電阻都不一樣，大電流電池為10毫歐姆，更小的電池為100毫歐姆，而鈕扣電池等超小電池則為1歐姆或更高。此範例為大電流電池，所以我們假設內電阻為10毫歐姆。

進行電池充電的電源供應器，在輸出端有電壓雜訊。就10 V電源供應器而言，合理的峰對峰電壓雜訊規格是10 mV。圖3顯示電池與電源供應器的簡單模型，其中顯示阻抗和雜訊源。頻率低於100 Hz時，R_{ps_out}幾乎是0 ohms。電源供應器的輸出電壓雜訊，其呈現方式是與直流輸出串聯的交流電壓源。根據歐姆定律：I_noise = V_noise/(R_{ps_out} + R_cell)，在電池中此交流電壓(雜訊)是以橫跨超低歐姆串聯電阻器的交流電流形式呈現。

電流量測結果的雜訊不是量測雜訊，而是電源供應器輸出電壓造成的真正電流雜訊，以通過電池內串聯電阻的電流來呈現。即使是低雜訊電源供應器，也會在電池內電阻這麼低的狀況下，產生電流雜訊。

出現電流雜訊時，要測定充電過程是否已達截止電流，最簡單的方法是將量測結果進行平均運算。只要將長達數秒甚或1分鐘的量測積分時間套用至電流量測結果，便可將交流雜訊成分平均化，之後您可量測到穩定的直流值，並將它與截止臨界值加以比較。然而，電源供應器如果沒有可程控的電流量測積分時間，該怎麼辦？此時，您可進行多次量測，並將這些量測結果傳到電腦進行平均運算，再用得到的平均數來判斷是否已達截止電流。

另一種方法是採用與電池串聯的電感器(參見圖4)。電感器在低頻時具有低阻抗，在高頻時則有高阻抗。同樣的，根據歐姆定律，I_noise= V_noise/(Z_{ps_out} + Z_inductor + Z_cell)，當頻率升高，Z_inductor會跟著升高並影響分母，使得電流雜訊I_noise隨著頻率升高而降低。因此，在更高頻時，電感器可發揮低通濾波器的作用，以便衰減雜訊。如此可淨化雜訊，以便判斷是否已達直流截止電流。在理想狀況下，濾波器會衰減至低於10 Hz，以大幅減少靠近直流的雜訊電流。假設充電電池為20 A且電池串聯電阻為10毫歐姆，電感器需要100微亨(microHenry)的電感值。請注意，電感器要能夠承載20 A的全直流充電電流，因而不可能是小型的表面黏著元件。不過用手將電線纏繞在環形磁心上來製作電感器仍然可行。

欲了解上述技術詳細，歡迎報名7月14日「電源技術論壇-新世代電源技術與節能設計」，是德科技將發表「低功耗先進智慧電源管理系統設計與驗證的挑戰」，並於現場有相關量測儀器展示，歡迎業界先進上網報名參加。報名網址：http://www.digitimes.com.tw/seminar/DTF_20160714/。 (本文由是德科技提供，李佳玲整理)