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前言

最近用了一款充放电芯片SC8815，可以通过配置该芯片的寄存器结合外围电路，自动对充放电进行管理。
虽然芯片用起来了，但是充放电到底是如何实现的还是不太清楚，于是去了解了一些DC-DC充放电相关的知识。这里进行下记录

另外为什么说充放电会去讨论升压和降压相关的原理呢？
这是因为，首先充电肯定是电压高的一方向电压低的一方去充，然后现如今不同快充之间的区别经常是充电电压的不同，例如常见的66w和120w快充，一般是11V / 6A 和 20V / 6A。
所以充电电路中，经常会涉及到通过调整充电电压，达到特定的充电条件。

1. 电子器件

与充放电相关的最主要的几个电子器件，分别是电感和电容，我个人而言在大学时经常接触到电容，因为当时涉及到通过电容进行滤波，以及利用电容的储电能力，把大电容当电池使用。

有一年参加电子设计大赛，就是使用无线充电技术，给法拉电容进行充电，然后充电1分钟时间到了之后，使用法拉电容进行放电，看谁的电容放电时小车跑的更远，爬坡爬的更高。

但是对于电感到底有什么用？以及电感和电容分别在升压和降压电路中起到什么作用，则是了解的很少。

1.1 电容

在这个公式中：

i： 表示电流
c：表示电容值
du/dt：表示电压对时间的变化率

原理：
当电容上的电压随时间变化时，根据电容的定义，电容会储存或释放电荷，从而产生电流。变化率越大，即电压变化越快，在给定电容值下产生的电流就越大。
因此，电容两端电压不能突变。

电容通常是：通交流、阻直流；通高频、阻低频

在直流电路中，电容在充电完成后会阻碍电流通过，相当于开路状态。
当直流电压刚加到电容上时，会有瞬间的充电电流，但随着电容充电逐渐完成，电流会逐渐减小至几乎为零，之后就不再有电流通过电容了。这就是电容“隔直流”的特性。

1.2 电感

在这个公式中：

U： 表示电感两端的电压
L：表示电感的电量值
di/dt：表示电流对时间的变化率

原理：
当通过电感的电流发生变化时，电感会产生感应电动势来阻碍电流的变化。电流变化率越大，产生的感应电压就越大。电感量越大，对电流变化的阻碍作用也就越明显。这个公式很好地描述了电感在电路中对电流变化的响应关系以及它产生电压的情况。通过电感上的电流不能突变

通常在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的瞬间会发生火花，就是自感现象产生了很高的感应电势所造成的

电感通常是：通直流，阻交流；通低频，阻高频。

2. 升压电路

• 电感的作用
  
  开关闭合，电感充电，电阻短路，当2.2us后电感上电流达到2.4A。

  开关断开，电源流经电感（电源电压＋电感电压，达到升压，电感放电）为电阻供电，2.4A的电流流过电阻，电阻两端电压达到12v。

  但是，若开关闭合，电阻又被短路，电阻两端电压随开关闭合与断开变化。

  在升压电路中，实际就是利用了电感两端的电压不能突变这个特性，通过短路的方式将流过电感的电流上升到一定程度，然后迅速断开开关，此时电感上会产生一个反响的感应电动势，阻碍电容两端的电流突变。 因此维持住了一个2.4A的电流流过电阻，进而产生了升压效果

• 电容的作用

  

  上面的只依赖于电感实现的升压电路虽然也能实现升压，但是大家看Ua两端的电压会发现，输出的电压是不稳定的，上下波动很大。这是因为当电感充电时，电阻两端相当于短路了，进而也就没有电压了。那么如何将其输出的电压更加稳定一些呢，接下来就要用到了二极管和MOS管以及电容了。
  
  在上面的电路中，通过二极管将电感充电电路和电容放电隔离开来。

  开关断开时：
  电感产生一个反向的感应电动势，结合电源，两者共同形成了电阻两端的电压（ua = 电源电压+电感电压），同时给电容充电。

  开关导通时：
  电感充电，二极管不导通，电容开始放电

  电容在升压电路中就类似于和电感起到了互补的作用，当电感充电时，电容放电，当电感放电时，电容充电，以保证负载两端的电压一直都有，进而平滑升压电路的输出曲线。

  如果将开关替换为MOS管，那么就能够通过调节占空比，来调节升压的幅度，例如占空比越高，升压值就越大。

3. 降压电路

开关闭合，二极管截止，电源给电感和电容充电，因为通过电感的电流不能突变，电感上感应出反向电流，使得负载端电压不足12V。

这里其实刚开始我不太理解，为什么同样是导通，负载两端的电压 不再是 电源电压+电感两端的电压，后来大概想了下，应该是两种电路中使用到的电感特性场景不一样。

在升压电路中，由于短路式充电，流过的电流很大，在断开开关的一瞬间，为了维持这个电流，是利用电感补充了负载两端的电压。

但是在降压电路中，电源闭合时，负载是和电感同时联通的，此时电感阻碍电流增长，因此他会分走一部分电压，从而起到降压的目的。

4. 电压均衡电路

我们现在使用的充电宝，甚至汽车上的电池，一般都是由一个个的小的81650电池组成的。

当多个电池串联使用时，由于每个单元的内阻、老化程度或充电状态的不同，会导致它们的电压不均衡。这种不均衡会引起：

效率降低：电池组的总容量受限于最差电池。
寿命缩短：电压过高或过低的单元容易损坏或过早老化。
安全隐患：过充或过放可能引发热失控，甚至导致火灾或爆炸。

电压均衡电路旨在调节各个电池或电容器的电压，使其保持在相同的水平。常见的均衡方法有两种：被动均衡和主动均衡。

4.1 被动均衡

被动均衡通过消耗多余能量来达到均衡目的。具体做法是将电压较高的单元通过电阻放电，直到与电压较低的单元相等。这种方法简单、成本低，但效率较低，因为多余的能量被浪费掉了。

优点是：简单易行，成本低
缺点是：效率低，智能在电池组充电时均衡

实现方式：

在每个电池两端并联一个电阻，串联一个开关，当某个电池电压过高时，就闭合开关，然后让电阻分走一部分流过该电池的电流。
从而降低该电池的充电速度，但是这种方式并不好，因为流过电阻的电量是被浪费掉了，同时它会产生热量。

该方法也被称为：负载消耗均衡法

4.2 主动均衡

主动均衡通过能量转移实现均衡，即将电压较高单元的能量转移到电压较低的单元。常见的方式包括电感耦合、变压器耦合和电容耦合等。

电感耦合（Inductor-based balancing）：使用电感作为储能元件，通过开关控制能量从一个单元传输到另一个单元。
变压器耦合（Transformer-based balancing）：使用变压器实现多个单元之间的能量转移。
电容耦合（Capacitor-based balancing）：使用电容储能，依次将电能从电压高的单元传递到电压低的单元。

优点：高效、可以在充电和放电过程中均衡
缺点：复杂度高、成本较高

实现方式：

如果电池B5电压过高，控制Q5以PWM模式工作，当Q5开通，电感L5储能，当Q5关闭，电感储存的能量就会通过D5给电池B1-B4充电，降低B5电池电压抬高其余电池电压，利用同样的原理可以分析其余电池组电压过高时候的工作过程。

5. 我的疑问

5.1 对于升压电路，怎么设计升压到多少V后，停止升压？

要控制升压电路升到特定的电压并停止，可以使用以下几种常见的方法：

反馈控制：通过使用反馈电路来监测输出电压，并将其与设定的目标电压进行比较。当输出电压达到目标电压时，反馈电路会发送信号给控制电路，使其停止升压操作；定时器控制：使用定时器来设置升压的时间。当定时器达到设定的时间时，控制电路会停止升压操作；电压比较器控制：使用电压比较器来比较输出电压和设定的目标电压。当输出电压达到目标电压时，比较器会发送信号给控制电路，使其停止升压操作。

在实际应用中，你可以根据具体的需求和电路设计选择合适的控制方法。同时，还需要考虑电路的稳定性、效率和可靠性等因素。如果你不熟悉电路设计和控制方法，建议咨询专业的电子工程师以获取更详细和准确的建议。

5.2 什么是等效电阻？

电路中无论是电感还是电容他们都是有一定的阻值的，因此很多情况下可以看作是理想中的电感和电容与电阻串联。
当存在电阻时，只要有电流流过，串联的电阻就会分压，同时消耗掉一部分的能量。
并造成电路损耗

5.3 快充是如何实现的？

快充技术通过提高充电电压和/或充电电流来增加充电功率。例如，传统充电可能使用5V和1A的电流（即5瓦功率），而快充可以使用9V和2A的电流（即18瓦功率）甚至更高。

常见的66w和120w快充，一般是11V / 6A 和 20V / 6A

5.4 氮化镓是什么？主要用在快充充电器的哪些技术上

氮化镓（GaN）是一种新型半导体材料。
在快充充电器中，氮化镓主要用于以下一些技术：

高频开关技术：氮化镓器件可以实现更高的开关频率，减小变压器等磁性元件的体积，提高功率密度。
功率转换技术：能更高效地进行电能转换，减少能量损失，提升充电效率。
小型化设计：有助于制作出更小、更紧凑的充电器外壳，方便携带。

6. 参考链接

设计和原理：DC-DC锂电池充电电源电路，升压、电压均衡等电路分析与实现

DC-DC基础知识 + 硬件电路

分享几种锂电池均衡电路的工作原理

最简单的buck-boost-升压降压电路原理解析