高集成度、低成本電池充電器
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
以目前在便攜式數碼產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，無記憶效應以及不污染環境等諸多優點，因此廣泛應用于數碼設備中，經濟實用，而且靈活方便。
常用的鋰電池充電器其核心都是恒流/恒壓調節器。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。當電池電壓上升到指定限度時，充電器轉換為恒壓調節，該方式一直持續到充電電流減小為零，這時電池充電完畢。在恒壓充電階段，電流按指數規律下降，該指數與電池電阻以及和該電池相串聯的所有電阻有關(和通過一電阻對電容充電過程(cheng)很類(lei)似(si))。由于充電電流按指數規律下(xia)降，所以完(wan)成充電需要相當長的(de)時間。
鋰電池充電器根據(ju)工作原理不同(tong)，可以分為線性調節方(fang)(fang)式(shi)，開關方(fang)(fang)式(shi)以及(ji)脈(mo)沖方(fang)(fang)式(shi)三種工作方(fang)(fang)式(shi)。
線性調節方式，例如MAXl898，MAX846A等，線性調節方式的充電器的(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)或電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)來自(zi)于(yu)交(jiao)流(liu)(liu)適配器(qi)的(de)(de)直流(liu)(liu)輸出，通過(guo)控制外部PNP調(diao)整管，調(diao)節電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)以及充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，具(ju)有結構(gou)簡單，外圍元件少等優點，但外部的(de)(de)調(diao)整管工作在(zai)線性方式下(xia)，具(ju)有較高的(de)(de)功耗，因此(ci)該充電(dian)(dian)(dian)方式的(de)(de)效率較低，發熱相對較大，用于(yu)小型便攜式設備，例如手(shou)機、個人(ren)數字助理(PDA)等,會造成較大的(de)(de)溫升。
開關方(fang)式充電(dian)(dian)器，以(yi)MAX745，MAXl757為例，相比線性調(diao)節方(fang)式，開關方(fang)式控制外(wai)部MOSFET對源電(dian)(dian)壓進行(xing)斬波(bo)，然后將斬波(bo)后的(de)電(dian)(dian)壓進行(xing)濾波(bo)，產生所(suo)需要的(de)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流或電(dian)(dian)壓。MOSFET工作與開關狀態，大大減(jian)小(xiao)了調(diao)整管的(de)功(gong)耗，但開關方(fang)式充電(dian)(dian)器的(de)功(gong)耗降低(di)是以(yi)增加電(dian)(dian)路尺(chi)寸(cun)和(he)復雜度為代價。
而(er)脈沖(chong)方(fang)(fang)(fang)(fang)式的充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)具(ju)(ju)有線(xian)性充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)和開(kai)關(guan)模式充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)兩者共有的優點(dian)。該方(fang)(fang)(fang)(fang)式配(pei)(pei)合限流(liu)交(jiao)流(liu)適配(pei)(pei)器(qi)(qi)以(yi)及外(wai)(wai)部P溝(gou)道(dao)MOSFET，構成了(le)一個脈沖(chong)方(fang)(fang)(fang)(fang)式充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)。以(yi)MAXl879為例(li)，如圖3所示，此時，當電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)低(di)于(yu)設定的電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)值時，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)打開(kai)外(wai)(wai)部P溝(gou)道(dao)MOSFET對電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)進行充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)受限于(yu)外(wai)(wai)部電(dian)(dian)(dian)(dian)源(即(ji)交(jiao)流(liu)適配(pei)(pei)器(qi)(qi))；當電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)達到設定電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)時，MOSFET關(guan)斷。在這種模式下(xia)，外(wai)(wai)部MOSFET工(gong)作在開(kai)關(guan)方(fang)(fang)(fang)(fang)式下(xia)，不對充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)進行調(diao)節，因(yin)此降低(di)了(le)功耗；同(tong)時，由于(yu)無需(xu)輸出濾波器(qi)(qi)，所以(yi)同(tong)時具(ju)(ju)有線(xian)性調(diao)節方(fang)(fang)(fang)(fang)式的結構簡單(dan)的優點(dian)。該控制方(fang)(fang)(fang)(fang)式同(tong)樣存在缺點(dian)，即(ji)交(jiao)流(liu)適配(pei)(pei)器(qi)(qi)需(xu)要具(ju)(ju)備限流(liu)功能，因(yin)此增加了(le)交(jiao)流(liu)適配(pei)(pei)器(qi)(qi)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轉換器實現精確的恒流、恒壓充電器，選擇3節或4節電池模式。DC-DC轉換器驅動一個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，該器件內置一個滯回比較器，監測交流適配器的連接狀態，并且自動選擇適當的電源。當適配器連接時(VASNS>VBATT-100 mV)，關斷P溝道MOSFET(P3)，將電池與系統負載斷開。適配器斷開時(VASNS
圖5為MAX8730的功能框圖，該器件內置一路電壓調節環(CCV)和兩路電流調節環(CCI和CCS)。三個環路獨立工作，MAX8730根據工作情況不同，控制輸入電流(CCS控制環)、充電電流(CCI控制環)或充電電壓(CCV控制環)。三個控制環――CCS、CCI和CCV內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電壓調節環監控電池電壓，通過監測電池電壓來判定電池是否滿充;而CCI電池電流調節環監控流入電池的電流,確保充電電流不超過設定的限流值。當電池電壓低于設定值時，充電電流調節環起作用。而當電池電壓達到其設定值時，電壓調節環起作用，將電池電壓維持在設定值處。另一個電流調節環(CCS)控制充電電流，當適配器電流超過設定的輸入限流值時，通過降低充電電流優先為系統負載供電，從而降低了對適配器的要求。
3 穩定性討論
MAX8730的充電電壓調節環、充電電流調節環和輸入電流調節環分別在CCV、CCI和CCS引腳處進行補償。
如圖4所示，電(dian)(dian)壓調(diao)節環路的(de)補償(chang)(chang)需(xu)要引入一對(dui)(dui)零(ling)點-極點對(dui)(dui)，因(yin)此補償(chang)(chang)網絡由(you)CCV和(he)RCV構成。在低(di)頻時(shi)，極點為電(dian)(dian)壓環響(xiang)(xiang)應提供必要的(de)滾降。零(ling)點用于補償(chang)(chang)輸出電(dian)(dian)容和(he)負載(zai)所引入的(de)極點。由(you)于輸出電(dian)(dian)容的(de)阻(zu)抗對(dui)(dui)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)環路以及輸入電(dian)(dian)流(liu)環路響(xiang)(xiang)應的(de)影響(xiang)(xiang)極小，因(yin)此僅需(xu)要引入單個(ge)極點對(dui)(dui)兩個(ge)電(dian)(dian)流(liu)環路進行補償(chang)(chang)。CCV、CCI和(he)CCS環路補償(chang)(chang)的(de)詳細計算方法參見MAX8730數據資料，圖4給(gei)出了補償(chang)(chang)電(dian)(dian)容和(he)電(dian)(dian)阻(zu)的(de)推薦(jian)值。