適用于全球交流電源鋰離子電池充電器設計

電壓調節

變壓器副邊的電壓經(jīng)過(guò)整流、濾波,然后由R4、R5分壓在并聯(lián)型穩壓器U3的調節點(diǎn)產(chǎn)生1.24V(對應于4.5V輸出)的反饋電壓。為保證電池充電器正常工作,4.5V是最低電壓(包括容差)。因為充電器采用的是線(xiàn)性結構,充電效率與輸入、輸出電壓的差值成反比,用最低電壓為充電器供電有助于降低功率損耗。

當調節點(diǎn)電壓高于1.24V時(shí),并聯(lián)型穩壓器將吸入電流,導通光耦LED,原邊的光敏晶體管將處于發(fā)光狀態(tài)。U1的OPTO輸入引腳用于直接連接光敏晶體管,以極其簡(jiǎn)單的方式構成閉合環(huán)路。光敏晶體管導通時(shí),OPTO引腳被拉低,內部比較器在它的一個(gè)輸入端檢測到較低的電壓,比較器的另一輸入電流檢測引腳(CS)的峰值電壓,OPTO引腳的低電壓將在每個(gè)周期直接限制功率MOSFETN1的峰值電流。由于U1是一個(gè)PWM控制器,電流限制使得電壓調節受作用在N1上的占空比(導通時(shí)間與斷開(kāi)時(shí)間的比值)的影響,環(huán)路穩定性通過(guò)調節R11和C12來(lái)保證。R10和C5(連接在U3的第3和第4引腳)可消除穩定工作情況下的噪聲干擾。

U4的工作特點(diǎn)

U4是一款用于單節Li+電池充電、功能完備的充電器,采用線(xiàn)性充電模式,內置調整管和電流檢測電路。另外,它還集成了一個(gè)反向抑制二極管,在去掉輸入電源時(shí)可防止電池方向放電。接入一個(gè)深度放電的電池時(shí),U4能夠檢測到低電池電壓(低于2.5V),這樣,U4將首先啟動(dòng)涓流充電過(guò)程,在快充周期的1/10時(shí)間段對電池進(jìn)行涓流充電,直到電池電壓上升到2.5V以上。在涓流充電到快速充電轉換時(shí),軟啟動(dòng)電路迫使充電電流在3ms時(shí)間內緩慢上升,避免較大的浪涌電流拉低輸入電源。

上述功能的實(shí)施不需要微控制器的監管,而且,U4還具有可編程的溫度限制功能,我們會(huì )在下面就這一點(diǎn)進(jìn)行詳細討論。用一個(gè)電阻設置最大充電電流,電阻兩端的電壓與充電電流成正比,通過(guò)監視該電壓即可連續跟蹤充電電流,更為復雜的系統也可以采用ADC跟蹤監視充電電流。

Maxim還提供有另一款與MAX1507非常相似的充電器—MAX1555,這款I(lǐng)C能夠在沒(méi)有交流電源的情況下從USB主機獲得充電電源。

電流調節

如果把Li+電池直接與一個(gè)低阻電壓源連接,充電電流將不受任何限制,這種狀況會(huì )對電池及其周?chē)h(huán)境造成災難性的損害,從Li+電池的安全性考慮,必須將其充電電流限制在額定范圍以?xún)?。U4根據連接在ISET(第5引腳)的電阻限制充電電流,圖1電路中選用了一個(gè)1.87kΩ的電阻,將最大電流設置在780mA:

Ifast=1461V/Rset=1461/1870≈780mA

電池電壓最小時(shí),由于輸入穩定在4.5V,U4輸入與輸出的壓差最大,如果此時(shí)電池是以最大電流充電,U4功耗將達到最大值。例如,假設電池電壓為2.5V,則對應的功耗為：

P=IV=(0.78A)×(4.5V-2.5V)=1.56W

U4封裝(8引腳薄型DFN-EP,EP表示裸露焊盤(pán))在溫度高達70℃時(shí)可以耗散的最大功率是1.951W,這樣,在整個(gè)電池電壓范圍內以780mA的電流充電應該沒(méi)有任何問(wèn)題。但是,如果IC管芯由于較高的環(huán)境溫度或不良的散熱條件達到了70℃,U4內部的熱調節環(huán)路將自動(dòng)降低充電電流,這一過(guò)程有別于其它充電IC中的“熱關(guān)斷”,“熱關(guān)斷”方式只是簡(jiǎn)單地中止芯片中的所有電路工作,直到晶片溫度降至規定的數值。MAX1507所采用的方案能夠保證在芯片溫度不超出最大限制范圍的條件下提供最快的充電速率,隨著(zhù)電池電壓的升高,充電電流在保持最高溫度的前提下逐漸升高,直到達到最大充電電流。在此之后,充電器在滿(mǎn)足芯片溫度限制的條件下將以最大充電電流對電池充電,直到電池電壓達到內部設置的4.2V±1%。電池電壓達到門(mén)限值后,U4將輸出電壓保持在4.2V,從而使充電電流開(kāi)始下降。充電電流降低到快充電流的10%時(shí),充電指示燈關(guān)閉,表示充電周期結束。

如果充電過(guò)程中輸出負載增大,例如,用戶(hù)在電池充電時(shí)啟動(dòng)了其它電路,U4允許返回到限流模式。

測試結果

圖1電路輸入為110V交流電源,輸出為4.14V、740mA負載,效率可達到46%。當負載電流增大使電池電壓降至2.7V時(shí),電路將輸出電流限制在802mA,比設置的780mA限流門(mén)限提高不到3%,在規定的參數指標以?xún)?。MAX1507允許±8%的變化。當電池電壓拉至2.5V時(shí),輸出電流降至76.1mA,在78mA(780mA的1/10)的3%以?xún)?。U4數據手冊中規定允許±5%的范圍。輸出短路時(shí)電路還允許返回到該模式。

空載時(shí),輸出穩定在4.2V左右,形成一個(gè)三角波,在U4輸出接一個(gè)負載電阻可以消除這個(gè)偏差,保持其連續性,但會(huì )降低系統效率,但對于交流電供電系統來(lái)說(shuō),效率并不重要。

本文小結

利用電流模式PWM控制器(U1)構成隔離電源,結合Li+電池充電IC(U4)和其它元件可以構成一個(gè)由通用的交流電源供電的Li+電池充電器。該方案不需要任何額外的控制電路(如微控制器的干預),也不需要軟件開(kāi)發(fā)。硬件開(kāi)發(fā)只需對Maxim提供的標準評估板稍作修改即可,具有成本低、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)勢。

由于系統沒(méi)有60Hz的隔離變壓器,具有尺寸小、輕便等特點(diǎn),可用于手機或其它手持設備的充電。所有熱量均集中在交流適配器內,與內置充電器的手持設備相比,不需要過(guò)多考慮散熱問(wèn)題。