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如果把充电宝的输入口和输出口连接起来,会怎样?

本帖由 漂亮的石头2015-02-16 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

    漂亮的石头 版主 管理成员

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    [​IMG] 知乎用户,EE在读,少泡知乎多刷题。

    这个问题并不如许多人想的简单。充电宝内部有升降压电路,因此整个充电宝内部根本就不是线性电路,用高中和初中物理的电路知识是不能解决这个问题的!

    我在回答之前粗略看了一下其他人的回答,发现问题主要有以下几个:

    (1)把充电宝的输入输出端短接是不是就等于把锂电芯正负极连接起来?

    答:否,不会短路。充电宝的输出端和输入端不等于锂电芯的正负极。充电宝内部还有各种升降压电路和保护电路,输入输出口连接的只是这些电路而不是直连锂电芯。

    接下来从理论上分析一下这个问题。假设我有一节 3.7v 的锂电芯(视作恒压源,当然实际并不能这么考虑,因为忽略了电压可变的现象):

    [​IMG]

    充电宝内部的 5v 升压电路大概长这样(LC 间遗漏了一个二极管,感谢知友 @时伟 指正)

    [​IMG]

    而给电芯充电的电路大概是这样,(只考虑恒压过程,对应电芯高电量时的状态)

    [​IMG]

    假如把输出输入端短接,整个电路是这样的

    [​IMG]

    这个电路拓扑里面的电池是明显没有被短路的。

    假设接上线这个电路就会不断工作(排除部分能自动识别这样误操作并断电的产品),能量守恒定律告诉我们整个系统会不断地消耗电能。那么电能到跑哪去了呢?极端情况下这样做又是不是有危险呢?充电宝在正常工作时,两个 MOS 管都会在导通和截止之间不断地转换,大概就是这样:

    (同时)导通:

    [​IMG]

    (同时)截止:

    [​IMG]

    可能已经有人看出来了,当升压电路里面的 MOS 管导通的时候,电芯的正负极之间会通过一个电感发生短接。根据电感的电抗性质,一开始这个回路是处于一种类似“断路”的状态的,当维持的时间趋向于正无穷时,电芯就相当于直接被短路了。但是,充电宝内部的 MOS 管在正常工作的过程中,开关频率一般都大于 100kHz,有很多产品已经达到了 MHz 的级别,每个周期持续的时间极短,看上去是比较安全的,但是不能忽视的是目前充电宝所使用的控制 IC 大部分都是采用了 PWM 调制的方式进行调压,因此一般情况下锂电芯并不会被直接短路,但是存在瞬间大电流放电的危险。

    (2)既然理论上的电路不会有严重危险,那实际产品又是会不会有差别?

    下面是 TI 的 BQ24195 控制 IC 的 application schematic 和 block diagram:

    [​IMG]

    BQ24195 的 block diagram:

    [​IMG]

    (来源:BQ24195 datasheet,TI 保留版权)

    上面的电路配置就有点复杂了,而且因为 MOS 都集成到了控制 IC 里面,所以看着有点绕。但是不难看出,实际使用的电路配置和我在草图中绘制的电路原理图是基本一致的,因此问题(1)中的分析在这里同样适用。

    (3)为什么我的充电宝输入输出端口用 USB 线连接起来以后会显示正在充电,电量却越来越少,有的还会严重发热?

    总的来说,如果把输入口和输出口用一根 USB 线连接起来,控制 IC 为了保持输出端口的 5v 以及 4.2v 的电池端口充电电压,会驱动 MOS 管一直工作。工作过程中产生的纹波会通过电容回到功率地,最终回到电池的负极上。也就是说,在理想的情况下,充电宝会进入一种缓慢放电的状态(纹波可以理解为小的电压波动,只是输出电压内非常小的一部分)。状态灯显示是充电状态是因为输入端有电压输入但是实际上充电宝的电量是不会增加的

    但是实际的电路并不都像这个 BQ24195 的 DEMO 一样配置,采用的元器件质量不可能相同,因此实际上电芯的放电速度可能会比理想情况快得多,因而出现发热的情况。正常的充电宝在输出电路上面会有一定的限流措施,锂电芯上面也会有独立的保护电路。若控制 IC 设计时可能没有考虑到这种恶作剧的情况,那么输出输入端口之间就直接跑出了最大输出电流,这种情况下就有可能烧坏控制电路了。

    综上所述,把充电宝的输入输出口用一根线连接起来,其实问题并不大,但假如充电宝不能自动识别并且自动断开输出,甚至严重发热,请马上断开连接

    (PS:本人在回答前已经在很多个不同生产厂商不同型号的充电宝上面进行过实验,均无大碍)

    以上。

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