假設接上線這個電路就會不斷工作(排除部分能自動識別這樣誤操作並斷電的產品),能量守恆定律告訴我們整個系統會不斷地消耗電能。那麼電能到跑哪去了呢?極端情況下這樣做又是不是有危險呢?充電寶在正常工作時,兩個 MOS 管都會在導通和截止之間不斷地轉換,大概就是這樣:
(同時)導通:
(同時)截止:
可能已經有人看出來了,當升壓電路里面的 MOS 管導通的時候,電芯的正負極之間會透過一個電感發生短接。根據電感的電抗性質,一開始這個迴路是處於一種類似“斷路”的狀態的,當維持的時間趨向於正無窮時,電芯就相當於直接被短路了。但是,充電寶內部的 MOS 管在正常工作的過程中,開關頻率一般都大於 100kHz,有很多產品已經達到了 MHz 的級別,每個週期持續的時間極短,看上去是比較安全的,但是不能忽視的是目前充電寶所使用的控制 IC 大部分都是採用了 PWM 調製的方式進行調壓,因此一般情況下鋰電芯並不會被直接短路,但是存在瞬間大電流放電的危險。
(2)既然理論上的電路不會有嚴重危險,那實際產品又是會不會有差別?
下面是 TI 的 BQ24195 控制 IC 的 application schematic 和 block diagram:
BQ24195 的 block diagram:
上面的電路配置就有點複雜了,而且因為 MOS 都整合到了控制 IC 裡面,所以看著有點繞。但是不難看出,實際使用的電路配置和我在草圖中繪製的電路原理圖是基本一致的,因此問題(1)中的分析在這裡同樣適用。
(3)為什麼充電寶輸入輸出埠用 USB 線連線起來以後會顯示正在充電,電量卻越來越少,有的還會嚴重發熱?
總的來說,如果把輸入口和輸出口用一根 USB 線連線起來,控制 IC 為了保持輸出埠的 5v 以及 4.2v 的電池埠充電電壓,會驅動 MOS 管一直工作。工作過程中產生的紋波會透過電容回到功率地,最終回到電池的負極上。也就是說,在理想的情況下,充電寶會進入一種緩慢放電的狀態(紋波可以理解為小的電壓波動,只是輸出電壓內非常小的一部分)。狀態燈顯示是充電狀態是因為輸入端有電壓輸入,但是實際上充電寶的電量是不會增加的。
但是實際的電路並不都像這個 BQ24195 的 DEMO 一樣配置,採用的元器件質量不可能相同,因此實際上電芯的放電速度可能會比理想情況快得多,因而出現發熱的情況。正常的充電寶在輸出電路上面會有一定的限流措施,鋰電芯上面也會有獨立的保護電路。若控制 IC 設計時可能沒有考慮到這種惡作劇的情況,那麼輸出輸入埠之間就直接跑出了最大輸出電流,這種情況下就有可能燒壞控制電路了。
兩端連線後主要有以下幾個可能:
(1)把充電寶的輸入輸出端短接是不是就等於把鋰電芯正負極連線起來?
答:否,不會短路。充電寶的輸出端和輸入端不等於鋰電芯的正負極。充電寶內部還有各種升降壓電路和保護電路,輸入輸出口連線的只是這些電路而不是直連鋰電芯。
接下來從理論上分析一下這個問題。假設我有一節 3.7v 的鋰電芯(視作恆壓源,當然實際並不能這麼考慮,因為忽略了電壓可變的現象):
充電寶內部的 5v 升壓電路大概長這樣(LC 間遺漏了一個二極體,感謝知友 @時偉 指正)
而給電芯充電的電路大概是這樣,(只考慮恆壓過程,對應電芯高電量時的狀態)
假如把輸出輸入端短接,整個電路是這樣的
這個電路拓撲裡面的電池是明顯沒有被短路的。
假設接上線這個電路就會不斷工作(排除部分能自動識別這樣誤操作並斷電的產品),能量守恆定律告訴我們整個系統會不斷地消耗電能。那麼電能到跑哪去了呢?極端情況下這樣做又是不是有危險呢?充電寶在正常工作時,兩個 MOS 管都會在導通和截止之間不斷地轉換,大概就是這樣:
(同時)導通:
(同時)截止:
可能已經有人看出來了,當升壓電路里面的 MOS 管導通的時候,電芯的正負極之間會透過一個電感發生短接。根據電感的電抗性質,一開始這個迴路是處於一種類似“斷路”的狀態的,當維持的時間趨向於正無窮時,電芯就相當於直接被短路了。但是,充電寶內部的 MOS 管在正常工作的過程中,開關頻率一般都大於 100kHz,有很多產品已經達到了 MHz 的級別,每個週期持續的時間極短,看上去是比較安全的,但是不能忽視的是目前充電寶所使用的控制 IC 大部分都是採用了 PWM 調製的方式進行調壓,因此一般情況下鋰電芯並不會被直接短路,但是存在瞬間大電流放電的危險。
(2)既然理論上的電路不會有嚴重危險,那實際產品又是會不會有差別?
下面是 TI 的 BQ24195 控制 IC 的 application schematic 和 block diagram:
BQ24195 的 block diagram:
上面的電路配置就有點複雜了,而且因為 MOS 都整合到了控制 IC 裡面,所以看著有點繞。但是不難看出,實際使用的電路配置和我在草圖中繪製的電路原理圖是基本一致的,因此問題(1)中的分析在這裡同樣適用。
(3)為什麼充電寶輸入輸出埠用 USB 線連線起來以後會顯示正在充電,電量卻越來越少,有的還會嚴重發熱?
總的來說,如果把輸入口和輸出口用一根 USB 線連線起來,控制 IC 為了保持輸出埠的 5v 以及 4.2v 的電池埠充電電壓,會驅動 MOS 管一直工作。工作過程中產生的紋波會透過電容回到功率地,最終回到電池的負極上。也就是說,在理想的情況下,充電寶會進入一種緩慢放電的狀態(紋波可以理解為小的電壓波動,只是輸出電壓內非常小的一部分)。狀態燈顯示是充電狀態是因為輸入端有電壓輸入,但是實際上充電寶的電量是不會增加的。
但是實際的電路並不都像這個 BQ24195 的 DEMO 一樣配置,採用的元器件質量不可能相同,因此實際上電芯的放電速度可能會比理想情況快得多,因而出現發熱的情況。正常的充電寶在輸出電路上面會有一定的限流措施,鋰電芯上面也會有獨立的保護電路。若控制 IC 設計時可能沒有考慮到這種惡作劇的情況,那麼輸出輸入埠之間就直接跑出了最大輸出電流,這種情況下就有可能燒壞控制電路了。
綜上所述,把充電寶的輸入輸出口用一根線連線起來,其實問題並不大,但假如充電寶不能自動識別並且自動斷開輸出,甚至嚴重發熱,請馬上斷開連線。