高集成度、低成本電池充電器
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
常用的二次電池有鎳鎘電池，鎳氫電池，鋰電池等多種類(lèi)型。以目前在便攜式數碼產(chǎn)品中最為常見(jiàn)的鋰電池為例，鋰電池具有較高的能量密度，體積小，重量輕，壽命長(cháng)，無(wú)記憶效應以及不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應用于數碼設備中，經(jīng)濟實(shí)用，而且靈活方便。
常用的鋰電池充電器其核心都是恒流/恒壓調節器。一般通過(guò)檢測充電電池的電壓來(lái)判斷電池是否充滿(mǎn)，由于鋰電池的大量?jì)δ苁窃诙穗妷航咏渥罡咴试S電壓時(shí)的充電期間建立的，鋰電池充電器設計往往需要較高的電壓檢測精度(精度高于l％)，試圖使空載端電壓接近容許的最高電壓。當電池的電壓較低時(shí)，典型的充電周期開(kāi)始時(shí)恒流充電方式。當電池電壓上升到指定限度時(shí)，充電器轉換為恒壓調節，該方式一直持續到充電電流減小為零，這時(shí)電池充電完畢。在恒壓充電階段，電流按指數規律下降，該指數與電池電阻以及和該電池相串聯(lián)的所有電阻有關(guān)(和通過(guò)一電阻對電容充電過(guò)程很類(lèi)似)。由于充電電流按指數規律下降，所以完成充電需要相當長(cháng)的時(shí)間。
鋰電池充電器根據工作原理不同，可以分為線(xiàn)性調節方式，開(kāi)關(guān)方式以及脈沖方式三種工作方式。
線(xiàn)性調節方式，例如MAXl898，MAX846A等，線(xiàn)性調節方式的充電器的充電電壓或電流來(lái)自于交流適配器的直流輸出，通過(guò)控制外部PNP調整管，調節電池的充電電流以及充電電壓，如圖l所示，具有結構簡(jiǎn)單，外圍元件少等優(yōu)點(diǎn)，但外部的調整管工作在線(xiàn)性方式下，具有較高的功耗，因此該充電方式的效率較低，發(fā)熱相對較大，用于小型便攜式設備，例如手機、個(gè)人數字助理(PDA)等,會(huì )造成較大的溫升。
開(kāi)關(guān)方式充電器，以MAX745，MAXl757為例，如圖2所示。相比線(xiàn)性調節方式，開(kāi)關(guān)方式控制外部MOSFET對源電壓進(jìn)行斬波，然后將斬波后的電壓進(jìn)行濾波，產(chǎn)生所需要的充電電流或電壓。MOSFET工作與開(kāi)關(guān)狀態(tài)，大大減小了調整管的功耗，但開(kāi)關(guān)方式充電器的功耗降低是以增加電路尺寸和復雜度為代價(jià)。
而脈沖方式的充電器具有線(xiàn)性充電器和開(kāi)關(guān)模式充電器兩者共有的優(yōu)點(diǎn)。該方式配合限流交流適配器以及外部P溝道MOSFET，構成了一個(gè)脈沖方式充電器。以MAXl879為例，如圖3所示，此時(shí)，當電池電壓低于設定的電壓值時(shí)，充電器打開(kāi)外部P溝道MOSFET對電池進(jìn)行充電，充電電流受限于外部電源(即交流適配器)；當電池電壓達到設定電壓時(shí)，MOSFET關(guān)斷。在這種模式下，外部MOSFET工作在開(kāi)關(guān)方式下，不對充電電流進(jìn)行調節，因此降低了功耗；同時(shí)，由于無(wú)需輸出濾波器，所以同時(shí)具有線(xiàn)性調節方式的結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。該控制方式同樣存在缺點(diǎn)，即交流適配器需要具備限流功能，因此增加了交流適配器的成本。
2 高集成度、低成本鋰電池充電器
2.1 MAX8730的工作原理
MAX8730開(kāi)關(guān)方式充電器集成了“Li+、NiMH和NiCd電池充電所必需的所有功能。利用一個(gè)高效率、降壓型DC-DC轉換器實(shí)現精確的恒流、恒壓充電器，選擇3節或4節電池模式。DC-DC轉換器驅動(dòng)一個(gè)P溝道MOSFET，并且外接一個(gè)高速肖特基二極管。充電電流和輸入檢流放大器失調誤差較低，因此可采用較小的檢流電阻，降低功耗。
MAX8730的典型工作電路如圖4所示，該器件內置一個(gè)滯回比較器，監測交流適配器的連接狀態(tài)，并且自動(dòng)選擇適當的電源。當適配器連接時(shí)(VASNS>VBATT-100 mV)，關(guān)斷P溝道MOSFET(P3)，將電池與系統負載斷開(kāi)。適配器斷開(kāi)時(shí)(VASNSVBATT-270 mV)，PDS上拉至SRC，關(guān)斷P溝道MOSFET(P1)，隨后，間隔5μs后，拉低PDL，接通電池與系統負載，實(shí)現先斷后合。當VSRC-VCSIN>100 mV(典型值)，并且模式選擇設定在3節或4節電池，ICTL>110 mV，INPON為高電平時(shí)，MAX8730啟動(dòng)充電過(guò)程。
圖5為MAX8730的功能框圖，該器件內置一路電壓調節環(huán)(CCV)和兩路電流調節環(huán)(CCI和CCS)。三個(gè)環(huán)路獨立工作，MAX8730根據工作情況不同，控制輸入電流(CCS控制環(huán))、充電電流(CCI控制環(huán))或充電電壓(CCV控制環(huán))。三個(gè)控制環(huán)――CCS、CCI和CCV內部連接到最低電壓箝位(LVC)放大器,LVC輸出CCV、CCI或CCS三者中的最小電壓,作為DC-DC控制器的反饋控制信號。CCV電壓調節環(huán)監控電池電壓，通過(guò)監測電池電壓來(lái)判定電池是否滿(mǎn)充;而CCI電池電流調節環(huán)監控流入電池的電流,確保充電電流不超過(guò)設定的限流值。當電池電壓低于設定值時(shí)，充電電流調節環(huán)起作用。而當電池電壓達到其設定值時(shí)，電壓調節環(huán)起作用，將電池電壓維持在設定值處。另一個(gè)電流調節環(huán)(CCS)控制充電電流，當適配器電流超過(guò)設定的輸入限流值時(shí)，通過(guò)降低充電電流優(yōu)先為系統負載供電，從而降低了對適配器的要求。
將MODE接至GND，可以設置MAX8730進(jìn)入重新學(xué)習模式，用于校準電池電量。重新學(xué)習過(guò)程中，充電器將電池與充電器斷開(kāi)，并通過(guò)系統負載放電。當電池達到100％的放電深度時(shí)，再啟動(dòng)對電池的重新充電。
2.2 充電器參數設置
表1給出了MAX8730的模式選擇。通過(guò)VCTL外接的分壓電阻，可以設置充電終止電壓。電池充電終止電壓與電流的化學(xué)特性和電池構造有關(guān)，具體參數由電池廠(chǎng)商提供。充電終止電壓(VBATT)與電池節數(CELLS)以及VCTL上電壓VVCTL的關(guān)系由下式
確定：
VCTL接LDO時(shí)，缺省設置電池的充電終止電壓為4.2 V/節，充電終止電壓的精度為O.7％。
ICTL設置允許流經(jīng)檢流電阻RS2的最大充電電流。CSIP和CSIN之間的滿(mǎn)量程差分電壓值為135 mV(RS2=30 mΩ時(shí)，電流為4.5 A)。根據下列公式設置ICTL：
ICTL的滿(mǎn)量程輸入范圍為0至3.6 V。欲關(guān)斷充電器，可將ICTL拉低至65 mV以下。
CLS可以設置MAX8730輸入限流值,設定流過(guò)CSSP和CSSN(即檢流電阻RSl)的最大電流值。當輸入電流超過(guò)限流值時(shí)，MAX8730可以降低充電電流，優(yōu)先為系統負載供電，從而降低對適配器的要求?？偟妮斎腚娏鞯扔谪撦d電流加上充電器的輸入
電流，可由下列公式表示：
其中η為DC-DC轉換器的效率(典型值為85％至95％)。
CSSP和CSSN之間的滿(mǎn)量程差分電壓為75mV，可以根據以下公式，設定CLS的值：
VCLS=ILIMITxRSl(VREF/75 mV)
CLS的輸入范圍為1.1 V至VREF。
3 穩定性討論
MAX8730的充電電壓調節環(huán)、充電電流調節環(huán)和輸入電流調節環(huán)分別在CCV、CCI和CCS引腳處進(jìn)行補償。
如圖4所示，電壓調節環(huán)路的補償需要引入一對零點(diǎn)-極點(diǎn)對，因此補償網(wǎng)絡(luò )由CCV和RCV構成。在低頻時(shí)，極點(diǎn)為電壓環(huán)響應提供必要的滾降。零點(diǎn)用于補償輸出電容和負載所引入的極點(diǎn)。由于輸出電容的阻抗對充電電流環(huán)路以及輸入電流環(huán)路響應的影響極小，因此僅需要引入單個(gè)極點(diǎn)對兩個(gè)電流環(huán)路進(jìn)行補償。CCV、CCI和CCS環(huán)路補償的詳細計算方法參見(jiàn)MAX8730數據資料，圖4給出了補償電容和電阻的推薦值。
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