使用充電電池(例如 - 鉛酸電池或鋰電池)提供電源給電路是十分方便的事,但是由於電池被限制需要操作在某個電壓準位內,才可以確保電池的有效壽命。當電池過度放電到某個電壓值以下時,將造成電池老化(甚至導致電池永久性的損壞),降低電池使用次數及電池特性的衰減。因此,在過度放電前若能將放電路徑關閉,將可以避免過度放電的狀況發生。
若可以在電池供電的路徑上,加入一個可以控制放電的開關電路,如當系統偵測到電池電壓過低時,藉由關閉此電流放電路徑上的開關,便能達到保護電池,避免過度放電的效果。下圖一為要設計的電池放電開關電路圖。
圖一 電池放電路徑的開關電路
如圖一所示,此電路會用到的元件如下
- P-MOSFET*1 - IRF9530
- NPN電晶體 *1- 2N2222A
- 1Kohm電阻*2
- 100Kohm電阻*1
- 散熱片*1
- 2.54mm排針數個
利用電路板完成此電路的實作電路如圖二所示,左邊紅色及黑色分別為電池端輸入Vin及GND;而白色部分為控制訊號S,此訊號可以為0V/3.3V或是0V/5V的訊號,當訊號為0V時,放電路徑上的MOSFET為OFF,而當3.3V/5V時,放電路徑上的MOSFET為ON。此電路藉由此控制訊號S,外部電路偵測到低電壓時,可以適時關閉放電路徑上的開關,保護電池部會過度放電情況發生。
而右邊的紅色及黑色,分別為電池透過此電路控制的最終輸出Vout及GND。
圖二 電路實作成品
圖三為實際測試的接線狀況,左邊接入電源供應器模擬電池接入14V,而控制訊號S接入3.3V,其電壓分別可以觀察如圖四中的電源供應器左右兩邊錶頭的數值。
圖三 實際測試的接線
圖四 電源供應器上的輸入電壓Vin為14V及控制訊號S為3.3V
至於負載端需要接上一個電阻來模擬實際的負載,此負載可以由所希望的放電電流值來計算出所需要的阻值。在此使用10ohm/100W的電阻,如圖五所示。
圖五 10ohm/100W電阻模擬負載
實驗結果可以由圖三中的數位電表可以得知電路輸出的電壓Vout為13.45V。而圖六可以觀察到此時通過此放電電路的電流為1.3A。由於在MOSFET導通時,IRF9530其內部的阻抗大約為0.42ohm,此情況下電流通過將造成MOSFET兩端的電壓降,同時造成功率的損失。
測試時間約5分鐘,散熱片上的溫度沒有明顯的升高。
圖六 通過放電電路的電流值為1.3A
未來若是希望可以降低上述的MOSFET電壓降,則可以選擇MOSFET導通電阻值較低的元件來改善此情況。或是透過控制MOSFET的閘極電壓,此部分需要參考元件手冊中的特性曲線圖來設計。