一次性電池不能夠充電，完全放電后的電池即為報廢電池。二次電池可以多次充電，但不同的化學特性對充電的要求也不同，特別是“快充”控制。目前，最常用的可充電電池是Li+、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(Nicd)和鉛酸電池，其它類型的電池還很多，但沒有大規模投入使用。因為本文僅討論利用交流適配器供電的充電器設計，沒有考慮汽車電源供電的SLI鉛酸電池或更大容量電池的充電器。

不同化學類型的電池對充電器的要求(qiu)  

通常快速充電比涓流充電更受歡迎，但快速充電對電路的要求也復雜，鎳氫或鎳鎘電池的快速充電技術與其它電池也是不同的。鎳鎘和鎳氫電池通常在恒流狀態下快充，而不是恒壓狀態下。快充終止檢測基于電壓和溫度的變化率，充電器還應具備過壓保護和過熱保護功能。Li+和鉛酸電池充電器必須保證作用到電池上的電壓和電流最大值在規定的范圍內，當電池電壓維持在最大單節電池電壓，充電電流下降到一個較低值時，充電器終止充電。Li+和鉛酸電池充電器的區別在于所允許的充電電流、最大電池電壓，另外鉛酸電池充電器一般具有浮充能力(浮充是為了補充鉛酸電池的自放電，而對一個已經完全充滿的電池繼續輸入充電電流的(de)(de)技術)，Li+電池(chi)的(de)(de)自(zi)放電非常(chang)低(di)，所以(yi)不需要浮充。

Li+電池

為(wei)便攜式產(chan)品選(xuan)擇(ze)電(dian)(dian)池(chi)(chi)時，最重要的(de)是高(gao)(gao)能(neng)(neng)量密度、尺(chi)寸、重量和價格。迄今為(wei)止，Li+電(dian)(dian)池(chi)(chi)在(zai)最為(wei)流行的(de)電(dian)(dian)池(chi)(chi)中能(neng)(neng)夠提(ti)供最高(gao)(gao)的(de)體積和能(neng)(neng)量密度，但其每瓦(wa)時的(de)成本(ben)也較高(gao)(gao)。鉛酸電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)每瓦(wa)時成本(ben)最低，但比較笨重。本(ben)文以Li+電(dian)(dian)池(chi)(chi)為(wei)例討論充電(dian)(dian)器的(de)設計，它在(zai)便攜式產(chan)品中已經被普遍使(shi)用。我們選(xuan)擇(ze)780mA的(de)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流和4.2V的(de)終止電(dian)(dian)壓。

充電器無需微處理器干預，輸入電源可以采用全球范圍的任何交流電源，省去了大體積60Hz變壓器，而且可提供單節Li+電池所要求的精確的充電電壓和電流。充電器IC(U4)集成了(le)全面的(de)保護(hu)功能(電(dian)壓(ya)、電(dian)流和自保護(hu))，確(que)保Li+電(dian)池的(de)安全充(chong)電(dian)。

假設(she)Li+電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)帶有過(guo)(guo)流、過(guo)(guo)壓和過(guo)(guo)熱保(bao)護，這些保(bao)護特性(xing)在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)包里是必需的，因為充電(dian)(dian)(dian)(dian)期間一旦電(dian)(dian)(dian)(dian)路出(chu)現(xian)故(gu)障，Li+電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)將(jiang)存在(zai)很大的危(wei)險性(xing)，過(guo)(guo)流、過(guo)(guo)壓或溫度過(guo)(guo)高都有可能造成Li+電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)爆(bao)炸(zha)。

包括兩顆主器件(U1和U4)、精密基準(U3)和光耦(ou)(U2)。U1是(shi)離(li)線式開關控(kong)制(zhi)器，配(pei)合隔離(li)變壓(ya)器、光耦(ou)和基準產生隔離(li)的穩(wen)壓(ya)直流輸出。直流電壓(ya)供給電池充電器(U4)，U4提(ti)供電流限制(zhi)、電壓(ya)調(diao)節、電池充電和充電指(zhi)示(shi)等功能。本方案中，U4是(shi)一款簡單(dan)的線性充電器，內置調(diao)整管，結合其熱控(kong)制(zhi)環路提(ti)供快(kuai)速(su)充電。

MAX5022的特性(xing)

U1(MAX5022)在寬(kuan)輸(shu)入(ru)(ru)范(fan)(fan)圍(wei)的(de)應用(yong)中很容易設(she)計(ji)，本文所提(ti)供的(de)方案要求(qiu)能夠滿足全(quan)球各地的(de)交流電(dian)(dian)(dian)(dian)源規格(ge)，這里假(jia)設(she)通用(yong)的(de)輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)壓范(fan)(fan)圍(wei)為85VAC至265VAC。MAX5022的(de)輸(shu)入(ru)(ru)范(fan)(fan)圍(wei)指標(biao)以及(ji)評估板(ban)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)輸(shu)入(ru)(ru)范(fan)(fan)圍(wei)恰好滿足這一需求(qiu)。對(dui)于圖1所示充電(dian)(dian)(dian)(dian)器的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)源端MAX5022評估板(ban)不需要作(zuo)任何修改，隔離端只需對(dui)評估板(ban)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻值(zhi)稍作(zuo)修改。

對(dui)于(yu)更大功(gong)率(lv)的(de)(de)應用(yong)(yong)，只(zhi)需(xu)(xu)選(xuan)取(qu)功(gong)率(lv)較大的(de)(de)開關(guan)管和(he)能夠(gou)處理更大功(gong)率(lv)的(de)(de)變(bian)壓(ya)器(qi)即(ji)可。圖(tu)1所示電(dian)(dian)路要求充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流為(wei)(wei)780mA，最(zui)大電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)為(wei)(wei)4.2V。對(dui)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)源的(de)(de)要求與MAX5022評估板所提供(gong)的(de)(de)輸出相吻合：5V@1A，因此，不需(xu)(xu)要更換評估板的(de)(de)晶(jing)體(ti)管和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)。U4采(cai)用(yong)(yong)SOT23封裝，所以，充電(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)尺(chi)寸在(zai)很大程(cheng)度上取(qu)決于(yu)應用(yong)(yong)對(dui)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)源的(de)(de)需(xu)(xu)求。變(bian)壓(ya)器(qi)是電(dian)(dian)路中(zhong)尺(chi)寸最(zui)大的(de)(de)元件，由于(yu)開關(guan)控制(zhi)器(qi)的(de)(de)工作頻率(lv)大于(yu)250kHz，允(yun)許系統選(xuan)用(yong)(yong)小(xiao)尺(chi)寸的(de)(de)變(bian)壓(ya)器(qi)。

上電(dian)(dian)(dian)(dian)時，在(zai)開關控制器工作之前，U1調節器直接(jie)通過(guo)泄(xie)漏電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)R1、R2從整流(liu)通路吸取(qu)少(shao)量(liang)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，兩個電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)阻(zu)值(zhi)保證(zheng)每(mei)個電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)上的(de)(de)壓降不(bu)會超(chao)出每(mei)個電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)的(de)(de)容限，Vin引腳電(dian)(dian)(dian)(dian)壓不(bu)會超(chao)出其28V額定值(zhi)(30V為(wei)絕對最大值(zhi))，U1在(zai)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓達(da)到(dao)24V時開始開關操作，并吸取(qu)更大的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(高于(yu)R1、R2所能(neng)(neng)(neng)提供(gong)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu))，在(zai)變壓器副邊線圈能(neng)(neng)(neng)夠(gou)提供(gong)足夠(gou)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)之前，額外的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)由(you)Vin引腳的(de)(de)旁路電(dian)(dian)(dian)(dian)容供(gong)給。這(zhe)種處(chu)理(li)方式能(neng)(neng)(neng)夠(gou)適合較寬(kuan)的(de)(de)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓范圍(wei)，對效(xiao)率的(de)(de)影響也很小，這(zhe)是因為(wei)在(zai)啟動(dong)過(guo)程中只需(xu)極小的(de)(de)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(典型(xing)值(zhi)為(wei)50uA)。  

為(wei)了防止U1的(de)Vin引腳出現過壓(ya)，可以(yi)在Vin與地之間接(jie)一(yi)個26V至30V的(de)齊納管，電壓(ya)值(zhi)需要高于(yu)(yu)欠壓(ya)鎖存電壓(ya)的(de)最(zui)大(da)值(zhi)，低于(yu)(yu)該引腳所(suo)允許(xu)的(de)最(zui)大(da)絕對(dui)(dui)電壓(ya)。如果(guo)器件沒(mei)有(you)啟動(dong)正常的(de)開關操作，則可認為(wei)電路發生了某(mou)些問題，所(suo)以(yi)，這一(yi)保(bao)護措施(shi)對(dui)(dui)于(yu)(yu)U1來說(shuo)并不(bu)是(shi)必需的(de)。

U1是一(yi)款電(dian)(dian)流模(mo)式PWM控制器(qi)，具有(you)逐(zhu)周期限(xian)流電(dian)(dian)路，必(bi)要時(shi)其占空(kong)比可以提高(gao)到75%，非常(chang)適合圖(tu)1所示的(de)反激拓撲。原(yuan)邊開關(guan)電(dian)(dian)流檢測采用尺寸為1206的(de)1.78Ω電(dian)(dian)阻(R7)，該電(dian)(dian)阻限(xian)制了(le)變(bian)壓器(qi)原(yuan)邊的(de)最大電(dian)(dian)流。固定開關(guan)頻率和最大占空(kong)比限(xian)制使得最大限(xian)流具有(you)輸出(chu)短路保護(hu)功能。  

一旦短(duan)路(lu)輸出造成電(dian)路(lu)達(da)到了上述限(xian)制條件，第三組線圈將(jiang)無法提供10V以上的(de)電(dian)壓(ya)(UVLO的(de)低電(dian)壓(ya)門限(xian))，U1將(jiang)再次進入啟動(dong)狀態，停止(zhi)開(kai)關操作。短(duan)路(lu)故障解(jie)除后系統會自動(dong)恢復正常(chang)的(de)工作狀態。  

電壓調節
 
變壓(ya)(ya)器副邊的電(dian)壓(ya)(ya)經過整流、濾波，然后(hou)由R4、R5分壓(ya)(ya)在并(bing)聯型穩壓(ya)(ya)器U3的調節(jie)點產生(sheng)1.24V(對應于4.5V輸(shu)(shu)(shu)出)的反饋電(dian)壓(ya)(ya)。為(wei)保證電(dian)池充(chong)電(dian)器正常(chang)工(gong)作，4.5V是最低電(dian)壓(ya)(ya)(包(bao)括容差)。因為(wei)充(chong)電(dian)器采(cai)用的是線性結構，充(chong)電(dian)效率與輸(shu)(shu)(shu)入、輸(shu)(shu)(shu)出電(dian)壓(ya)(ya)的差值成反比，用最低電(dian)壓(ya)(ya)為(wei)充(chong)電(dian)器供電(dian)有助于降低功率損耗。  

當調節點電(dian)(dian)壓高于(yu)(yu)(yu)1.24V時，并聯型穩壓器(qi)將吸(xi)入(ru)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)，導(dao)通(tong)(tong)光(guang)(guang)耦LED，原(yuan)邊的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)敏(min)晶(jing)體管(guan)將處于(yu)(yu)(yu)發(fa)光(guang)(guang)狀態(tai)。U1的(de)(de)(de)(de)OPTO輸(shu)入(ru)引腳(jiao)(jiao)用于(yu)(yu)(yu)直接連接光(guang)(guang)敏(min)晶(jing)體管(guan)，以(yi)極其簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)方式(shi)構成閉合(he)環路。光(guang)(guang)敏(min)晶(jing)體管(guan)導(dao)通(tong)(tong)時，OPTO引腳(jiao)(jiao)被拉(la)低，內部比(bi)較器(qi)在(zai)它的(de)(de)(de)(de)一(yi)個輸(shu)入(ru)端檢(jian)測到較低的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓，比(bi)較器(qi)的(de)(de)(de)(de)另一(yi)輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)檢(jian)測引腳(jiao)(jiao)(CS)的(de)(de)(de)(de)峰值(zhi)(zhi)電(dian)(dian)壓，OPTO引腳(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)低電(dian)(dian)壓將在(zai)每個周期直接限制功率MOSFETN1的(de)(de)(de)(de)峰值(zhi)(zhi)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)。由于(yu)(yu)(yu)U1是一(yi)個PWM控制器(qi)，電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)限制使得(de)電(dian)(dian)壓調節受(shou)作用在(zai)N1上的(de)(de)(de)(de)占(zhan)空比(bi)(導(dao)通(tong)(tong)時間(jian)與斷開時間(jian)的(de)(de)(de)(de)比(bi)值(zhi)(zhi))的(de)(de)(de)(de)影響，環路穩定性通(tong)(tong)過調節R11和C12來保證。R10和C5(連接在(zai)U3的(de)(de)(de)(de)第3和第4引腳(jiao)(jiao))可消除穩定工作情況下的(de)(de)(de)(de)噪聲干擾。

U4的工作特點

U4是(shi)一款(kuan)用(yong)于單節Li+電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)、功(gong)能完備(bei)的充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器，采用(yong)線性充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)模(mo)式，內置調整管(guan)和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)檢測電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。另外(wai)，它還集成了一個(ge)反向抑制二(er)極管(guan)，在(zai)去掉(diao)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)源時(shi)可防止電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)方向放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)。接(jie)入(ru)一個(ge)深度放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)的電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)時(shi)，U4能夠檢測到低電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(低于2.5V)，這(zhe)樣，U4將首先啟(qi)動涓流(liu)(liu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)過程，在(zai)快(kuai)充(chong)周期(qi)的1/10時(shi)間(jian)(jian)段對電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)進行涓流(liu)(liu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，直到電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓上(shang)升(sheng)(sheng)到2.5V以上(shang)。在(zai)涓流(liu)(liu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)到快(kuai)速充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)轉換時(shi)，軟啟(qi)動電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)迫使充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)在(zai)3ms時(shi)間(jian)(jian)內緩慢上(shang)升(sheng)(sheng)，避免較(jiao)大的浪涌(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)拉低輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)源。

   上述(shu)功能的(de)實施不需要微控制器(qi)的(de)監(jian)(jian)管，而且，U4還具有可編程(cheng)的(de)溫度(du)限制功能，我們會在下面就這一點進行詳細討論(lun)。用(yong)一個電(dian)(dian)(dian)阻設置最(zui)大充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流，電(dian)(dian)(dian)阻兩端(duan)的(de)電(dian)(dian)(dian)壓與充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流成(cheng)正比(bi)，通過監(jian)(jian)視該電(dian)(dian)(dian)壓即(ji)可連續(xu)跟(gen)蹤充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流，更為(wei)復雜的(de)系統也(ye)可以采用(yong)ADC跟(gen)蹤監(jian)(jian)視充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流。

Maxim還提供有另一款與MAX1507非常相似(si)的充電(dian)器(qi)―MAX1555，這款IC能(neng)夠在沒有交流電(dian)源的情況下(xia)從USB主機獲(huo)得(de)充電(dian)電(dian)源。  

電流調節

如果把Li+電池直接與一個低阻電壓源連接，充電電流將不受任何限制，這種狀況會對電池及其周圍環境造成災難性的損害，從Li+電池的安全性考慮，必須將其充電電流限制在額定范圍以內。U4根據連接在ISET(第5引腳)的電阻限制充電電流，圖(tu)1電路中選(xuan)用(yong)了(le)一個(ge)1.87kΩ的(de)電阻，將(jiang)最大(da)電流(liu)設置在780mA:

Ifast=1461V/Rset=1461/1870≈780mA

電(dian)池電(dian)壓最小(xiao)時，由(you)于輸入穩定在4.5V，U4輸入與(yu)輸出的壓差最大(da)，如(ru)果(guo)此時電(dian)池是以最大(da)電(dian)流充(chong)電(dian)，U4功耗(hao)將(jiang)達到最大(da)值。例(li)如(ru)，假設電(dian)池電(dian)壓為2.5V，則對應的功耗(hao)為：

P=IV=(0.78A)×(4.5V-2.5V)=1.56W

U4封裝(8引腳薄型DFN-EP，EP表示裸露焊盤)在溫度高達70℃時可以耗散的最大功率是1.951W，這樣，在整個電池電壓范圍內以780mA的電流充電應該沒有任何問題。但是，如果IC管芯由于較高的環境溫度或不良的散熱條件達到了70℃，U4內部的熱調節環路將自動降低充電電流，這一過程有別于其它充電IC中的“熱關斷”，“熱關斷”方式只是簡單地中止芯片中的所有電路工作，直到晶片溫度降至規定的數值。MAX1507所采用的方案能夠保證在芯片溫度不超出最大限制范圍的條件下提供最快的充電速率，隨著電池電壓的升高，充電電流在保持最高溫度的前提下逐漸升高，直到達到最大充電電流。在此之后，充電器在滿足芯片溫度限制的條件下將以最大充電電流對電池充電，直到(dao)電(dian)池電(dian)壓達到(dao)內部設置的4.2V±1%。電(dian)池電(dian)壓達到(dao)門限值(zhi)后，U4將輸出電(dian)壓保持在4.2V，從而使充電(dian)電(dian)流(liu)開(kai)始下(xia)降(jiang)。充電(dian)電(dian)流(liu)降(jiang)低到(dao)快(kuai)充電(dian)流(liu)的10%時(shi)，充電(dian)指(zhi)示燈關閉，表示充電(dian)周期(qi)結束。

如(ru)果充電過程中輸出負(fu)載增(zeng)大，例如(ru)，用戶在電池充電時(shi)啟動了其它電路，U4允許(xu)返回到(dao)限流模式。

測試結果

圖1電(dian)(dian)路(lu)輸(shu)入為110V交流(liu)電(dian)(dian)源，輸(shu)出為4.14V、740mA負載，效率可達到46%。當負載電(dian)(dian)流(liu)增(zeng)大(da)使電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓降至(zhi)2.7V時(shi)，電(dian)(dian)路(lu)將輸(shu)出電(dian)(dian)流(liu)限(xian)制在802mA，比(bi)設(she)置的(de)780mA限(xian)流(liu)門(men)限(xian)提(ti)高(gao)不到3%，在規定的(de)參數指標以內。MAX1507允(yun)許(xu)±8%的(de)變(bian)化。當電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓拉至(zhi)2.5V時(shi)，輸(shu)出電(dian)(dian)流(liu)降至(zhi)76.1mA，在78mA(780mA的(de)1/10)的(de)3%以內。U4數據手冊(ce)中(zhong)規定允(yun)許(xu)±5%的(de)范圍。輸(shu)出短路(lu)時(shi)電(dian)(dian)路(lu)還允(yun)許(xu)返回到該模式。

空載時，輸出穩定在4.2V左右，形成一個三角波，在U4輸出接一個負載電阻可以消除這個偏差，保持其連續性，但會降低系統效率，但對于交流電供電系統(tong)來說，效率并不(bu)重要。

利用電流(liu)模式PWM控(kong)制器(U1)構成(cheng)(cheng)隔離電源，結(jie)合Li+電池充(chong)電IC(U4)和其它元件(jian)可(ke)以構成(cheng)(cheng)一個(ge)由通用的交流(liu)電源供電的Li+電池充(chong)電器。該方(fang)案不需(xu)要(yao)任(ren)何額外的控(kong)制電路(lu)(如微控(kong)制器的干(gan)預)，也不需(xu)要(yao)軟件(jian)開發。硬件(jian)開發只需(xu)對Maxim提供的標準(zhun)評估板稍作修(xiu)改即(ji)可(ke)，具有成(cheng)(cheng)本低、開發周期(qi)短等優勢。

由于(yu)系(xi)統(tong)沒有(you)60Hz的(de)隔離變壓器(qi)(qi)，具有(you)尺(chi)寸小、輕便等特點，可用(yong)于(yu)手(shou)機或其它手(shou)持(chi)設(she)備的(de)充(chong)電。所有(you)熱(re)量均集中(zhong)在交(jiao)流適配器(qi)(qi)內，與內置(zhi)充(chong)電器(qi)(qi)的(de)手(shou)持(chi)設(she)備相比，不(bu)需要過(guo)多考慮(lv)散熱(re)問題。