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，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。一般通過檢測充電電池的電壓來判斷電池是否充滿，由于鋰電池的大量儲能是在端電壓接近其最高允許電壓時的充電期間建立的，鋰電池充電器設(shè)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(dāng)電池的電壓較低時，典型的充電周期開始時恒流充電方式。當(dāng)電池電壓上升到指定限度時，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)長的時間。

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)熱相對較大，用于小型便攜式設(shè)備，例如手機(jī)、個人數(shù)字助理(PDA)等,會造成較大的溫升。

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。

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)成了一個脈沖方式充電器。以MAXl879為例，如圖3所示，此時，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定的電壓值時，充電器打開外部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(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定電壓時，MOSFET關(guān)斷。在這種模式下，外部MOSFET工作在開關(guān)方式下，不對充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此降低了功耗；同時，由于無需輸出濾波器，所以同時具有線性調(diào)節(jié)方式的結(jié)構(gòu)簡單的優(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)動一個P溝道MOSFET，并且外接一個高速肖特基二極管。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)置一個滯回比較器，監(jiān)測交流適配器的連接狀態(tài)，并且自動選擇適當(dāng)?shù)碾娫?。?dāng)適配器連接時(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(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，MAX8730啟動充電過程。
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。CCV電壓調(diào)節(jié)環(huán)監(jiān)控電池電壓，通過監(jiān)測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，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，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，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，再啟動對電池的重新充電。
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，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，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，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)償需要引入一對零點(diǎn)-極點(diǎn)對，因此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由CCV和RCV構(gòu)成。在低頻時，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極點(diǎn)對兩個電流環(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。