為便攜式產(chǎn)品提供高性能的電池充電器

筆記本電腦等便攜式產(chǎn)品對(duì)電池的體積、重量及電池的壽命都有嚴(yán)格的要求，其電池標(biāo)準(zhǔn)配置是Li+電池。最近，鋰聚合物電池也成為其發(fā)展方向之一，這類(lèi)電池可以根據(jù)需要做成各種不同的復(fù)雜形狀，可廣泛應(yīng)用于手機(jī)，手持PC以及各種小型手持產(chǎn)品中。由于鋰聚合物電池與Li+電池的化學(xué)特性相似，因此，它們的充電方式幾乎相同，主要差別僅在于終止充電電壓及充電電流不一樣。

對(duì)Li+電池，傳統(tǒng)的充電方法是采用恒流，恒壓充電法。恒流充電法應(yīng)用于電池充電初始階段，此時(shí)電池電壓較低。當(dāng)電池電壓逐漸升高到達(dá)預(yù)定的限制電平時(shí)，充電器則由恒流方式轉(zhuǎn)為恒壓充電方式，直到充電電流減小至接近于零時(shí)才終止充電過(guò)程，保證電池被完全充滿電。在恒壓充電過(guò)程中，充電電流由于電池內(nèi)阻及串聯(lián)寄生電阻作用，以指數(shù)函數(shù)曲線逐漸減小，類(lèi)似于通過(guò)電阻對(duì)電容器充電過(guò)程。由于是以指數(shù)函數(shù)方式下降，因此一個(gè)完全的滿充電過(guò)程需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成。由于電池充電過(guò)程中具有電壓限制保護(hù)，因此恒流充電并不需要精確的充電電流，反而對(duì)限制電壓的精度要求很高，高于1%的精度，這是因?yàn)椋弘姵仉妷涸礁?，其?chǔ)存的能量越多，過(guò)高的電壓將導(dǎo)致電池?fù)p壞。電池即使在恒流充電時(shí)以很大的電流充電（大于1C，C是電池容量，以安-時(shí)數(shù)表示），對(duì)縮短電池充電時(shí)間改善也不大，這是因?yàn)?，受電池物理，化學(xué)特性限制，恒壓充電過(guò)程占電池充電過(guò)程絕大部分時(shí)間，而恒流過(guò)程僅占小部分。

采用線性充電器是Li+電池充電方式之一，如圖1所示，輸入電源通常采用直流電源或交流適配器，利用IC1驅(qū)動(dòng)外部PNP管產(chǎn)生充電所需要的電壓和電流。而電路中的PIC單片機(jī)則通過(guò)其PWM輸出不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電壓和電流的控制。通過(guò)編程控制可產(chǎn)生各種不同的輸出電壓和電流，因此該電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同化學(xué)特性的電池充電。在許多系統(tǒng)中，利用系統(tǒng)已有的微控制器PWM輸出端可實(shí)現(xiàn)對(duì)充電器的程控。如果充電器專(zhuān)為某一種電池而設(shè)計(jì)，通過(guò)改變外部電阻控制充電電壓和電流，充電電路可進(jìn)一步得到簡(jiǎn)化。

雖然線性充電器電路簡(jiǎn)便，體積也不大，但其功率消耗較大?？紤]到單節(jié)Li+電池的電壓范圍為：2.7V~4.2V，為了保證4.2V時(shí)對(duì)電池充電，輸入直流源的電壓必須大于4.5V，因此采用具有10%容余度的、廉價(jià)的交流適配器時(shí)，其輸出電壓范圍應(yīng)該在4.5V~5.5V之間。充電器PNP管消耗最大功率的情況出現(xiàn)在：輸入電壓最高（5.5V）且電池電壓最低(2.7V)時(shí)?？紤]典型的充電電流：1A(10%，則PNP管消耗的最大功率為：(5.5-2.7)X1.1>3W。3W的功耗在手機(jī)、PDA等手持終端內(nèi)部引起的溫升效應(yīng)相當(dāng)可觀，有可能造成系統(tǒng)不能正常工作。

當(dāng)必須采用內(nèi)置充電結(jié)構(gòu)時(shí)，只有采用開(kāi)關(guān)模式充電器解決效率問(wèn)題（見(jiàn)圖2），圖中的IC利用外部?jī)芍还β蔒OSFET管對(duì)源電壓進(jìn)行斬波，然后通過(guò)濾波電路處理得到電池充電所需要的電流和電壓。這些MOSFET管的作用就如同開(kāi)關(guān)一樣，要么導(dǎo)通，要么斷開(kāi)。導(dǎo)通時(shí)，充電電流在MOSFET上產(chǎn)生的壓差很??；斷開(kāi)時(shí)，MOSFET承受大的壓差但電流為零，因此功率器件上消耗的功耗很?。篜=VxI，且受輸入電壓，充電電壓，電流變化影響不大。利用圖2電路，可以在很寬的輸入電壓、 充電電壓、充電電流范圍內(nèi)獲得很高的轉(zhuǎn)換效率（>90%），其代價(jià)是電路比較復(fù)雜，體積較大，成本較高。

圖3是一種新的恒流脈沖電池充電方法，它結(jié)合了直流和開(kāi)關(guān)充電方式的優(yōu)點(diǎn)，利用外部限流型交流適配器限制充電電流。該交流適配器被切換到電池，進(jìn)行恒流充電。當(dāng)電池電壓上升到限制電壓時(shí)，該電流源以脈沖方式接通到電池，其平均電流就是電池所需充電電流，電池電壓不會(huì)過(guò)壓。該方式產(chǎn)生的功耗很低，因?yàn)楣ぷ髟眍?lèi)似于開(kāi)關(guān)電源，要么接通，要么斷開(kāi)，而且電路簡(jiǎn)單，如同線性充電器，無(wú)須輸出濾波電路。雖然外部交流適配器有可能消耗較大功率（與外部適配器工作方式有關(guān)），但如果不超出容許的最高安全溫度范圍，它不會(huì)對(duì)電池和便攜式設(shè)備帶來(lái)任何不利影響。

圖3中的PMOS管實(shí)現(xiàn)對(duì)限流源與電池的通斷，由于電路中的充電器芯片采用了微型的uMAX封裝，而外部PMOS管采用SOT-23封裝，因此該電路比圖2電路簡(jiǎn)單，體積小。除了MAX1679和PMOS外，僅需兩個(gè)電容和一個(gè)電阻即可構(gòu)成一個(gè)完整的Li+電池充電器。（可調(diào)電阻，LED，肖特基二極管及熱敏電阻均為可選擇器件）。MAX1679還具有一定的電池保護(hù)功能，如果對(duì)過(guò)放電電池（低于2.5V）快速充電，將縮短電池壽命。MAX1679在進(jìn)行充電之前檢測(cè)電池電壓，根據(jù)需要，利用內(nèi)部5mA的電流源對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電，把電池電壓提升到2.5V，然后再啟動(dòng)快速充電過(guò)程。MAX1679另一功能是通過(guò)外部連接的熱敏電阻對(duì)溫度檢測(cè)。對(duì)于Li+電池，如果充電時(shí)溫度超過(guò)0~50(C范圍，將影響電池壽命。一旦MAX1679檢測(cè)到電池溫度超出容許范圍，則終止電池充電，直到電池溫度恢復(fù)到正常范圍時(shí)才開(kāi)始充電。為了指示充電過(guò)程，MAX1679還包括一充電過(guò)程監(jiān)測(cè)輸出端，利用它驅(qū)動(dòng)外部LED，反映充電過(guò)程。

隨著便攜式產(chǎn)品體積越來(lái)越小，電路越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電池充電器提出了更嚴(yán)格的要求，充電器是保證最大限度利用電池容量的關(guān)鍵。通過(guò)把功率消耗轉(zhuǎn)移到便攜式設(shè)備外部、遠(yuǎn)離電池，可改善便攜產(chǎn)品的性能，減小電池壓力。雖然傳統(tǒng)的線性和開(kāi)關(guān)充電方式仍然具有一定市場(chǎng)，但限流型脈沖式充電器減小了便攜式產(chǎn)品體積，改善了其性能，因而具有更廣闊的應(yīng)用范圍。