高集成度、低成本電池充電器工作原理

1 鋰電池充電方式概述
以目前在便攜式數(shù)碼產(chǎn)品中最為常見的鋰電池為例，鋰電池具有較高的能量密度，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，無記憶效應(yīng)以及不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)碼設(shè)備中，經(jīng)濟(jì)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(diào)節(jié)器。一般通過檢測(cè)充電電池的電壓來判斷電池是否充滿，由于鋰電池的大量?jī)?chǔ)能是在端電壓接近其最高允許電壓時(shí)的充電期間建立的，鋰電池充電器設(shè)計(jì)往往需要較高的電壓檢測(cè)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(dāng)電池的電壓較低時(shí)，典型的充電周期開始時(shí)恒流充電方式。當(dāng)電池電壓上升到指定限度時(shí)，充電器轉(zhuǎn)換為恒壓調(diào)節(jié)，該方式一直持續(xù)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(shù)規(guī)律下降，該指數(shù)與電池電阻以及和該電池相串聯(lián)的所有電阻有關(guān)(和通過一電阻對(duì)電容充電過程很類似)。由于充電電流按指數(shù)規(guī)律下降，所以完成充電需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

鋰電池充電器根據(jù)工作原理不同，可以分為線性調(diào)節(jié)方式，開關(guān)方式以及脈沖方式三種工作方式。

線性調(diào)節(jié)方式，例如MAXl898，MAX846A等，線性調(diào)節(jié)方式的充電器的充電電壓或電流來自于交流適配器的直流輸出，通過控制外部PNP調(diào)整管，調(diào)節(jié)電池的充電電流以及充電電壓，如圖l所示，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍元件少等優(yōu)點(diǎn)，但外部的調(diào)整管工作在線性方式下，具有較高的功耗，因此該充電方式的效率較低，發(fā)熱相對(duì)較大，用于小型便攜式設(shè)備，例如手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)等,會(huì)造成較大的溫升。

開關(guān)方式充電器，以MAX745，MAXl757為例，如圖2所示。相比線性調(diào)節(jié)方式，開關(guān)方式控制外部MOSFET對(duì)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工作與開關(guān)狀態(tài)，大大減小了調(diào)整管的功耗，但開關(guān)方式充電器的功耗降低是以增加電路尺寸和復(fù)雜度為代價(jià)。

而脈沖方式的充電器具有線性充電器和開關(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(gòu)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(dāng)電池電壓低于設(shè)定的電壓值時(shí)，充電器打開外部P溝道MOSFET對(duì)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(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，MOSFET關(guān)斷。在這種模式下，外部MOSFET工作在開關(guān)方式下，不對(duì)充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此降低了功耗；同時(shí)，由于無需輸出濾波器，所以同時(shí)具有線性調(diào)節(jié)方式的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)精確的恒流、恒壓充電器，選擇3節(jié)或4節(jié)電池模式。DC-DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)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(diào)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(nèi)置一個(gè)滯回比較器，監(jiān)測(cè)交流適配器的連接狀態(tài)，并且自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)碾娫?。?dāng)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(tǒng)負(fù)載斷開。適配器斷開時(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(tǒng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)先斷后合。當(dāng)VSRC-VCSIN>100 mV(典型值)，并且模式選擇設(shè)定在3節(jié)或4節(jié)電池，ICTL>110 mV，INPON為高電平時(shí)，MAX8730啟動(dòng)充電過程。
圖5為MAX8730的功能框圖，該器件內(nèi)置一路電壓調(diào)節(jié)環(huán)(CCV)和兩路電流調(diào)節(jié)環(huán)(CCI和CCS)。三個(gè)環(huán)路獨(dú)立工作，MAX8730根據(jù)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(nèi)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(hào)。CCV電壓調(diào)節(jié)環(huán)監(jiān)控電池電壓，通過監(jiān)測(cè)電池電壓來判定電池是否滿充;而CCI電池電流調(diào)節(jié)環(huán)監(jiān)控流入電池的電流,確保充電電流不超過設(shè)定的限流值。當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，充電電流調(diào)節(jié)環(huán)起作用。而當(dāng)電池電壓達(dá)到其設(shè)定值時(shí)，電壓調(diào)節(jié)環(huán)起作用，將電池電壓維持在設(shè)定值處。另一個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)(CCS)控制充電電流，當(dāng)適配器電流超過設(shè)定的輸入限流值時(shí)，通過降低充電電流優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電，從而降低了對(duì)適配器的要求。

將MODE接至GND，可以設(shè)置MAX8730進(jìn)入重新學(xué)習(xí)模式，用于校準(zhǔn)電池電量。重新學(xué)習(xí)過程中，充電器將電池與充電器斷開，并通過系統(tǒng)負(fù)載放電。當(dāng)電池達(dá)到100％的放電深度時(shí)，再啟動(dòng)對(duì)電池的重新充電。
2.2 充電器參數(shù)設(shè)置
表1給出了MAX8730的模式選擇。通過VCTL外接的分壓電阻，可以設(shè)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(gòu)造有關(guān)，具體參數(shù)由電池廠商提供。充電終止電壓(VBATT)與電池節(jié)數(shù)(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(shè)置電池的充電終止電壓為4.2 V/節(jié)，充電終止電壓的精度為O.7％。
ICTL設(shè)置允許流經(jīng)檢流電阻RS2的最大充電電流。CSIP和CSIN之間的滿量程差分電壓值為135 mV(RS2=30 mΩ時(shí)，電流為4.5 A)。根據(jù)下列公式設(shè)置ICTL：

ICTL的滿量程輸入范圍為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(shè)置MAX8730輸入限流值,設(shè)定流過CSSP和CSSN(即檢流電阻RSl)的最大電流值。當(dāng)輸入電流超過限流值時(shí)，MAX8730可以降低充電電流，優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電，從而降低對(duì)適配器的要求?？偟妮斎腚娏鞯扔谪?fù)載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(zhuǎn)換器的效率(典型值為85％至95％)。
CSSP和CSSN之間的滿量程差分電壓為75mV，可以根據(jù)以下公式，設(shè)定CLS的值：

VCLS=ILIMITxRSl×(VREF/75 mV)
CLS的輸入范圍為1.1 V至VREF。

3 穩(wěn)定性討論
MAX8730的充電電壓調(diào)節(jié)環(huán)、充電電流調(diào)節(jié)環(huán)和輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)分別在CCV、CCI和CCS引腳處進(jìn)行補(bǔ)償。
如圖4所示，電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的補(bǔ)償需要引入一對(duì)零點(diǎn)-極點(diǎn)對(duì)，因此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由CCV和RCV構(gòu)成。在低頻時(shí)，極點(diǎn)為電壓環(huán)響應(yīng)提供必要的滾降。零點(diǎn)用于補(bǔ)償輸出電容和負(fù)載所引入的極點(diǎn)。由于輸出電容的阻抗對(duì)充電電流環(huán)路以及輸入電流環(huán)路響應(yīng)的影響極小，因此僅需要引入單個(gè)極點(diǎn)對(duì)兩個(gè)電流環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。CCV、CCI和CCS環(huán)路補(bǔ)償?shù)脑敿?xì)計(jì)算方法參見MAX8730數(shù)據(jù)資料，圖4給出了補(bǔ)償電容和電阻的推薦值。