一種鋰離子智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Abstract: This paper introduces the principle of a Li-ion battery charger and the process of charging, which is made by Maxim company and consists of 1 to 3 cells Li-ions. Also, it introduces the working process and parameter setting of the charger. Finally, it introduces the principle of PWM controller and the function briefly during charging. The charger had been applied on a certain charging detecting platform.

Keywords: intelligent battery charger; MAX1757; PWM controller

1 引言

鋰離子電池具有較高的能量密度，與其它電池相比具有體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，但對(duì)保護(hù)電路要求較高，在電池的使用過(guò)程中，需嚴(yán)格避免出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放電現(xiàn)象。通常，鋰離子電池充電方式為恒流-恒壓方式。為保證安全充電，一般通過(guò)檢測(cè)充電電池的電壓來(lái)判斷電池是否充滿，除電壓檢測(cè)外還需采用其它的輔助方法作為防止過(guò)充的后備措施，如檢測(cè)電池溫度、限定充電時(shí)間等輔助方法。此外，由于鋰離子電池出現(xiàn)過(guò)充電時(shí)同樣也會(huì)造成電池的損環(huán)，一般在電池充電前需要檢測(cè)電池是否可充，通常在對(duì)鋰離子電池進(jìn)行快速充電時(shí)需保證每節(jié)電池電壓高于2.5V，溫度高于2.5℃、低于50℃，這就要求充電器具有預(yù)充過(guò)程。由此看來(lái)，雖然鋰離子電池具有較高的性能指標(biāo)，但對(duì)充電器的保護(hù)措施要求較高，如果用分立元件構(gòu)成鋰離子電池充電器，電路將十分復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)。利用Maxim最新推出的MAX1757可以構(gòu)成1節(jié)至3節(jié)鋰離子電池充電器，這種芯片內(nèi)置14V功率開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)化了多節(jié)鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)。在一些中等功率、高端便攜式產(chǎn)品中（如數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等），一般采用2節(jié)至3節(jié)鋰離子電池供電，選用MAX1757構(gòu)成電池充電器非常合適。^[2][5]

2 芯片引腳功能介紹及充電器工作原理

2.1 芯片引腳功能簡(jiǎn)單介紹

MAX1757采用28引腳的SSOP貼片式封裝。每個(gè)引腳的具體功能不作詳細(xì)介紹，在此僅介紹本文用到的引腳功能。VL引腳：芯片電源輸入端。由DCIN端經(jīng)線性穩(wěn)壓器輸出5.4V，VL接2.2μF以上的陶瓷電容到地；ISTTIN引腳：輸入電流限制調(diào)節(jié)端。在V_REF與GND之間接一電阻分壓器來(lái)調(diào)節(jié)；ISTTOUT引腳：電池充電電流調(diào)節(jié)端。在V_REF與GND之間接一電阻分壓器來(lái)調(diào)節(jié)；REF引腳：4.2V 基準(zhǔn)電壓輸出端。此端接一個(gè)1μF以上陶瓷旁路電容到地；GND引腳：模擬地；VADJ引腳：電壓調(diào)整端。在V_REF與GND之間接一電阻分壓器來(lái)調(diào)節(jié)電池充電電壓，其調(diào)節(jié)范圍為4.2V5％；PGND引腳：電源地。電流從低端FET開(kāi)關(guān)的源極流入PGND；LX引腳：電源外接電感端；BST引腳：內(nèi)部高端MOSFET漏極偏置；DCIN引腳：電源輸入端。它的輸入為VL提高穩(wěn)壓電源，此端接一0.1μF以上的旁路電容。^[1]

2.2 充電器工作原理

圖1是MAX1757的內(nèi)部電路，包括輸入電流檢測(cè)器、電壓檢測(cè)器、充電電流檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)器和主控制器。輸入電流調(diào)節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流, 包括:系統(tǒng)負(fù)載電流與充電電流, 當(dāng)檢測(cè)到輸入電流大于設(shè)定的限流門(mén)限時(shí), 通過(guò)降低電池充電電流可達(dá)到限制輸入電流的目的, 因?yàn)橄到y(tǒng)工作時(shí)電源電流的變化范圍較大, 如果充電器沒(méi)有輸入電流檢測(cè)功能,則輸入電源(墻上適配器或其它直流電源)必須能夠提供最大負(fù)載電流與最大充電電流之和,這將使電源的成本增高、體積增大, 而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對(duì)直流電源的要求,同時(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源的設(shè)計(jì)。電壓檢測(cè)電路可與電流檢測(cè)電路分別對(duì)電池電壓和充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)。MAX1757的電壓檢測(cè)精度為0.8%。電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)結(jié)果送入主控制器,主控制器驅(qū)動(dòng)內(nèi)部高邊MOSFET導(dǎo)通或斷開(kāi)以達(dá)到控制充電電流或限制電池電壓的目的。定時(shí)器和溫度檢測(cè)器為電池充電提供附加保護(hù),由于充電效率達(dá)不到100%,充電時(shí)間限定值應(yīng)留有裕量。對(duì)于溫度傳感器應(yīng)靠近電池安裝，并且溫度傳感器可選擇具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,+25℃時(shí)阻值為10kΩ（Philips、Cornerstone傳感器公司、Fenwall電子公司均可提供適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品以滿足用戶的需要）。MAX1757以1.2Hz的頻率檢測(cè)電池溫度。

圖1　充電器內(nèi)部工作原理圖

3　充電過(guò)程曲線圖

MAX1757內(nèi)置充電狀態(tài)控制,圖2是充電過(guò)程曲線圖。充電過(guò)程分為預(yù)充、快充和滿充與頂端截止充電狀態(tài)。

圖2　充電過(guò)程曲線圖

3.1 預(yù)充狀態(tài)

在安裝好電池后,接通輸入直流電源,當(dāng)充電器檢測(cè)到輸入電壓大于電池電壓時(shí)，則將定時(shí)器復(fù)位,從而進(jìn)入預(yù)充過(guò)程, 在此期間充電器以快充電流的1/10給電池充電,使電池電壓、溫度恢復(fù)到正常狀態(tài),預(yù)充時(shí)間由定時(shí)器1的外接電容確定, 如果在規(guī)定的充電時(shí)間內(nèi)電池電壓達(dá)到2.5V以上,電池溫度正常(高于2.5℃、低于50℃),則充電進(jìn)入快充過(guò)程;如果電池電壓低于2.5V,則認(rèn)為電池不可充電,充電器顯示電池故障。

3.2 快充狀態(tài)

快充過(guò)程也稱(chēng)恒流充電,此時(shí)充電器以恒定電流I_CHG對(duì)電池充電。根據(jù)電池廠商推薦的充電速率,一般對(duì)于鋰離子電池大多選用1C充電速率（表示電池充電的速度，即充電和放電電流通常用電池額定容量C的倍數(shù)表示，叫做充電速率）,充滿電池大約需要1個(gè)多小時(shí)。恒流充電時(shí),電池電壓將緩慢上升,一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓(一般為4.1V或4.2V), 恒流充電終止,充電電流快速遞減,充電進(jìn)入滿充過(guò)程。

3.3 滿充與頂端截止充電狀態(tài)

在滿充過(guò)程中,充電電流逐漸衰減,直到充電速率降低到C/10(默認(rèn)設(shè)置為電流遞減到330mA)以下或滿充時(shí)間超時(shí)時(shí),轉(zhuǎn)入頂端截止充電;頂端截止充電時(shí),充電器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量。由于充電器在檢測(cè)電池電壓是否達(dá)到終止電壓時(shí)有充電電流通過(guò)電池內(nèi)阻,盡管在滿充和頂端截止充電過(guò)程中充電電流逐漸下降,減小了電池內(nèi)阻和其它串聯(lián)電阻對(duì)電池端電壓的影響,但串聯(lián)在充電回路中的電阻形成的壓降仍然對(duì)電池終止電壓的檢測(cè)有影響,頂端截止充電為最大限度地補(bǔ)充電池能量起到了重要作用。一般情況下,滿充和頂端終止充電可以延長(zhǎng)電池5%～10%的使用時(shí)間。

4 充電器參數(shù)設(shè)置

4.1 電池終止電壓設(shè)置

通過(guò)外接分壓電阻可設(shè)置電池充電終止電壓,分壓電阻精度為1%、電阻值低于100kΩ。電池充電終止電壓與電池的化學(xué)特性和電池構(gòu)造有關(guān),具體參數(shù)由電池廠商提供。VADJ引腳的電壓V_VADJ與電池充電終止電壓(V_BATTR)、電池節(jié)數(shù)(N)、基準(zhǔn)電壓(V_REF)之間的關(guān)系由下式確定:

V_VADJ=(9.5V_BATTR/N)-(9.0V_REF)

4.2 充電電流設(shè)置

快充過(guò)程的充電電流由ISETOUT引腳的電壓值(V_IESTOUT)決定,該電壓由連接在REF和GND之間的分壓電阻調(diào)節(jié)。當(dāng)ISETOUT引腳接REF時(shí),電流為最大值(為1.5A)。I_CHG與V_IESTOUT的關(guān)系式如下:

I_CHG=1.5(V_IESTOUT/V_REF)

4.3 輸入限流設(shè)置

輸入限流門(mén)限I_IN由ISETTIN引腳的電壓確定,根據(jù)下式可確定I_IN的值。

I_CHG=0.1(V_ISETIN/V_REF)/R₁

4.4 選擇電感

電感值與電流紋波的大小有關(guān),選用較大的電感時(shí)電流紋波較小,但如果電感的物理尺寸相同時(shí),電感值越大。通常，電感的等效串聯(lián)電阻和額定電流較小,從總體指標(biāo)考慮,電流紋波一般設(shè)置為平均充電電流的30%～50%,假設(shè)紋波電流與直流充電電流之比為L(zhǎng)IR,則電感值由下式確定:

L=[V_BATT(V_DCIN(MAX)-V_BATT)]/[V_DCIN(MAX)foscI_CHGLIR]

公式中:fosc為充電器內(nèi)部DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率,為300kHz。電感額定電流應(yīng)大于I_CHG[1+LIR/2]。

4.5 充電時(shí)間設(shè)置

MAX1757內(nèi)含四個(gè)定時(shí)時(shí)間設(shè)置功能,即預(yù)充、快充、滿充、頂端截止充電時(shí)間。在定時(shí)器1外接電容可設(shè)置預(yù)充、滿充和頂端截止充電過(guò)程的時(shí)間限制，在定時(shí)器2上外接電容可設(shè)置快充時(shí)間限制。當(dāng)充電速率為1C時(shí),典型充電時(shí)間設(shè)置為(定時(shí)器1與定時(shí)器2的外接電容均為1nF):預(yù)充時(shí)間為7.5分鐘、快充時(shí)間為90分鐘、滿充時(shí)間為90分鐘、頂端終止充電時(shí)間為45分鐘。定時(shí)器1與定時(shí)器2外接電容與充電時(shí)間的關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖3 定時(shí)器1外接電容與充電時(shí)間的關(guān)系

圖4 定時(shí)器2外接電容與充電時(shí)間的關(guān)系

5 選擇外圍器件注意事項(xiàng)

在選擇MAX1757外圍元器件時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）由于電感的大小與輸入電壓、充電電流等因素有關(guān)，所以選擇電感時(shí)，應(yīng)選擇電感磁性材料飽和電流大于2A，并且取值可適當(dāng)調(diào)整。

（2）靠近充電電池處的電容應(yīng)分別選用多層陶瓷電容和低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電解電容。

（3）二極管應(yīng)選用工作電流大于2A的肖特基二極管。

（4）預(yù)充、快充、滿充和故障指示燈處的限流電阻，其阻值取決于V_IN。通常情況，可按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

R=（V_IN -2）/ 20(kΩ)

6 脈寬調(diào)制控制器

脈寬調(diào)制(PWM)控制器驅(qū)動(dòng)內(nèi)部高邊場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)控制充電電流或電壓。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中^[3]。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。 大多數(shù)負(fù)載(無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz。^[4]其充電器具體工作過(guò)程為當(dāng)開(kāi)關(guān)在標(biāo)稱(chēng)電壓之間循環(huán)時(shí)，內(nèi)部鉗位電壓限制非控制信號(hào)使其在200mV范圍內(nèi)阻止延時(shí)。電流模式下的脈寬調(diào)制控制器測(cè)量感應(yīng)電流來(lái)調(diào)整輸出電壓或電流，從而簡(jiǎn)化調(diào)整循環(huán)的穩(wěn)定性。并且，各自的補(bǔ)償使其調(diào)整電路更穩(wěn)定，保證了在較寬范圍內(nèi)占空比的穩(wěn)定工作?？刂破黩?qū)動(dòng)內(nèi)部的N溝道場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)使輸入電壓下降到電池電壓。高邊場(chǎng)效應(yīng)管的柵極被高于靠近電容的輸入源電壓所驅(qū)動(dòng)。當(dāng)LX為低時(shí)，這個(gè)電容（在VL和LX之間）通過(guò)從VL處的二極管被充電。當(dāng)高邊的開(kāi)關(guān)關(guān)閉，并連接LX與PGND來(lái)保證電容充電時(shí)，內(nèi)部N溝道場(chǎng)效應(yīng)管即刻啟動(dòng)。當(dāng)源電壓接近輸入電壓時(shí)，高邊場(chǎng)效應(yīng)管的柵極由提供充足電壓的BST來(lái)驅(qū)動(dòng)。其工作狀態(tài)的波形如圖5所示。

圖5　脈寬調(diào)制工作狀態(tài)波形圖

7 結(jié)論

本設(shè)計(jì)有效利用了鋰離子充電芯片MAX1757，其設(shè)計(jì)過(guò)程（外圍電路）簡(jiǎn)單，具有體積小、重量輕、充電節(jié)數(shù)可編程等優(yōu)點(diǎn)，并且性能可靠、穩(wěn)定，適用性強(qiáng)。

8 參考文獻(xiàn)

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