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)技術(shu))，Li+電池(chi)的(de)自放電非常(chang)低，所以(yi)不需(xu)要浮充。

Li+電池

為(wei)便(bian)攜式(shi)產品選擇電(dian)池(chi)時(shi)(shi)，最重要的(de)是高能(neng)(neng)量密(mi)度(du)(du)、尺寸、重量和價(jia)格。迄今為(wei)止，Li+電(dian)池(chi)在最為(wei)流行的(de)電(dian)池(chi)中能(neng)(neng)夠提供最高的(de)體(ti)積和能(neng)(neng)量密(mi)度(du)(du)，但(dan)其每瓦時(shi)(shi)的(de)成(cheng)本(ben)也(ye)較(jiao)高。鉛酸(suan)電(dian)池(chi)的(de)每瓦時(shi)(shi)成(cheng)本(ben)最低(di)，但(dan)比(bi)較(jiao)笨重。本(ben)文以Li+電(dian)池(chi)為(wei)例討論(lun)充電(dian)器的(de)設(she)計，它在便(bian)攜式(shi)產品中已經被普遍使用。我們選擇780mA的(de)充電(dian)電(dian)流和4.2V的(de)終(zhong)止電(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)全面的保(bao)護功能(neng)(電壓、電流和自保(bao)護)，確保(bao)Li+電池的安全充電。

假設(she)Li+電(dian)池帶有過(guo)(guo)流(liu)、過(guo)(guo)壓和過(guo)(guo)熱保護，這些保護特性在電(dian)池包里是必(bi)需的(de)，因為(wei)充電(dian)期間一旦電(dian)路(lu)出現故障(zhang)，Li+電(dian)池將(jiang)存在很大的(de)危險(xian)性，過(guo)(guo)流(liu)、過(guo)(guo)壓或(huo)溫度過(guo)(guo)高都有可能造成Li+電(dian)池爆炸。

包括兩顆主器(qi)(qi)件(U1和U4)、精密基準(U3)和光(guang)耦(ou)(U2)。U1是離(li)線式(shi)開關控制器(qi)(qi)，配合(he)(he)隔離(li)變壓器(qi)(qi)、光(guang)耦(ou)和基準產生(sheng)隔離(li)的穩壓直(zhi)流輸出。直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)壓供(gong)給電(dian)(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)(U4)，U4提(ti)供(gong)電(dian)(dian)(dian)流限制、電(dian)(dian)(dian)壓調(diao)節、電(dian)(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)和充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)指(zhi)示(shi)等(deng)功能。本方案中(zhong)，U4是一(yi)款簡單的線性充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)，內置調(diao)整管(guan)，結合(he)(he)其熱控制環路提(ti)供(gong)快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)。

MAX5022的(de)特性

U1(MAX5022)在寬輸入(ru)范(fan)圍的(de)應用中很容(rong)易設計，本文所(suo)提供的(de)方案要求能夠滿足全球各地的(de)交流電源(yuan)規格，這(zhe)里(li)假設通用的(de)輸入(ru)電源(yuan)電壓范(fan)圍為(wei)85VAC至265VAC。MAX5022的(de)輸入(ru)范(fan)圍指標以及(ji)評估(gu)板電路的(de)輸入(ru)范(fan)圍恰好滿足這(zhe)一需求。對(dui)于(yu)圖1所(suo)示充電器的(de)電源(yuan)端MAX5022評估(gu)板不需要作(zuo)任何修(xiu)改(gai)(gai)，隔(ge)離端只需對(dui)評估(gu)板的(de)電阻值稍作(zuo)修(xiu)改(gai)(gai)。

對(dui)于(yu)更大(da)(da)功(gong)率(lv)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)，只需(xu)選取功(gong)率(lv)較大(da)(da)的(de)(de)(de)開關(guan)管(guan)和能夠處理更大(da)(da)功(gong)率(lv)的(de)(de)(de)變(bian)壓(ya)器(qi)即(ji)可。圖1所示電(dian)(dian)路(lu)要求充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)為780mA，最大(da)(da)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)為4.2V。對(dui)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)源的(de)(de)(de)要求與MAX5022評估板所提供(gong)的(de)(de)(de)輸出相吻合：5V@1A，因此，不(bu)需(xu)要更換(huan)評估板的(de)(de)(de)晶(jing)體管(guan)和變(bian)壓(ya)器(qi)。U4采用(yong)(yong)SOT23封裝，所以，充(chong)電(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)在很大(da)(da)程(cheng)度(du)上取決于(yu)應(ying)用(yong)(yong)對(dui)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)源的(de)(de)(de)需(xu)求。變(bian)壓(ya)器(qi)是電(dian)(dian)路(lu)中(zhong)尺(chi)寸(cun)最大(da)(da)的(de)(de)(de)元件，由(you)于(yu)開關(guan)控制器(qi)的(de)(de)(de)工作(zuo)頻率(lv)大(da)(da)于(yu)250kHz，允許系統選用(yong)(yong)小尺(chi)寸(cun)的(de)(de)(de)變(bian)壓(ya)器(qi)。

上(shang)電(dian)(dian)(dian)時，在開(kai)關控制器(qi)工作之(zhi)前(qian)，U1調(diao)節器(qi)直接通過泄漏電(dian)(dian)(dian)阻R1、R2從(cong)整流(liu)(liu)(liu)通路(lu)吸(xi)取少量的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)，兩個電(dian)(dian)(dian)阻阻值保證(zheng)每(mei)個電(dian)(dian)(dian)阻上(shang)的(de)(de)(de)壓降(jiang)不(bu)會(hui)(hui)超出(chu)每(mei)個電(dian)(dian)(dian)阻的(de)(de)(de)容限，Vin引腳電(dian)(dian)(dian)壓不(bu)會(hui)(hui)超出(chu)其28V額(e)定值(30V為絕(jue)對最大(da)值)，U1在輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)壓達到24V時開(kai)始開(kai)關操(cao)作，并(bing)吸(xi)取更大(da)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(高于(yu)R1、R2所能(neng)(neng)提供(gong)(gong)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu))，在變(bian)壓器(qi)副(fu)邊線圈能(neng)(neng)夠提供(gong)(gong)足夠的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量之(zhi)前(qian)，額(e)外的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)由Vin引腳的(de)(de)(de)旁路(lu)電(dian)(dian)(dian)容供(gong)(gong)給。這(zhe)種處(chu)理(li)方(fang)式能(neng)(neng)夠適(shi)合較寬的(de)(de)(de)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)壓范圍，對效(xiao)率的(de)(de)(de)影響也很小，這(zhe)是因為在啟動過程中只需極小的(de)(de)(de)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(典型(xing)值為50uA)。  

為(wei)了防(fang)止U1的Vin引腳出現(xian)過壓(ya)，可(ke)以(yi)在Vin與地之間(jian)接一個26V至30V的齊納(na)管，電(dian)(dian)壓(ya)值(zhi)需要(yao)高于欠壓(ya)鎖存電(dian)(dian)壓(ya)的最大(da)(da)值(zhi)，低(di)于該引腳所(suo)允許的最大(da)(da)絕對電(dian)(dian)壓(ya)。如(ru)果(guo)器件沒有啟動正常的開(kai)關(guan)操作，則可(ke)認為(wei)電(dian)(dian)路發生了某(mou)些問(wen)題，所(suo)以(yi)，這一保護措施對于U1來說(shuo)并不(bu)是必需的。

U1是一(yi)款(kuan)電流(liu)模(mo)式PWM控制(zhi)器，具有逐周期限(xian)流(liu)電路，必要時其占空(kong)比可以提高到75%，非常(chang)適合圖(tu)1所示的(de)反激拓(tuo)撲。原(yuan)邊開(kai)關(guan)電流(liu)檢(jian)測(ce)采用尺寸為(wei)1206的(de)1.78Ω電阻(R7)，該電阻限(xian)制(zhi)了變壓器原(yuan)邊的(de)最(zui)大電流(liu)。固定開(kai)關(guan)頻(pin)率和最(zui)大占空(kong)比限(xian)制(zhi)使得最(zui)大限(xian)流(liu)具有輸出短路保(bao)護(hu)功(gong)能。  

一(yi)旦短路輸出造成(cheng)電(dian)路達到了上述(shu)限制條件，第(di)三(san)組線圈將無法提供10V以上的(de)電(dian)壓(ya)(UVLO的(de)低電(dian)壓(ya)門限)，U1將再(zai)次進入啟動(dong)狀(zhuang)態(tai)，停止開關操(cao)作。短路故障解(jie)除后(hou)系統會自動(dong)恢復(fu)正常的(de)工(gong)作狀(zhuang)態(tai)。  

電壓調節
 
變(bian)壓(ya)器(qi)副邊的(de)電壓(ya)經過(guo)整流(liu)、濾波，然后由R4、R5分壓(ya)在并聯型(xing)穩壓(ya)器(qi)U3的(de)調節點(dian)產生(sheng)1.24V(對應于4.5V輸出(chu))的(de)反饋(kui)電壓(ya)。為保證電池充電器(qi)正常工作，4.5V是最(zui)低電壓(ya)(包括容差(cha)(cha))。因(yin)為充電器(qi)采(cai)用的(de)是線性結(jie)構，充電效(xiao)率與輸入、輸出(chu)電壓(ya)的(de)差(cha)(cha)值成反比，用最(zui)低電壓(ya)為充電器(qi)供電有助于降低功率損(sun)耗。  

當調(diao)節(jie)點(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)高于1.24V時(shi)，并(bing)聯型穩壓(ya)(ya)器將吸入電(dian)(dian)(dian)流(liu)，導通(tong)光(guang)耦LED，原邊的(de)光(guang)敏晶體(ti)管(guan)(guan)將處于發光(guang)狀態(tai)。U1的(de)OPTO輸入引(yin)(yin)腳用于直(zhi)接連接光(guang)敏晶體(ti)管(guan)(guan)，以極其(qi)簡(jian)單的(de)方式(shi)構成閉合環路。光(guang)敏晶體(ti)管(guan)(guan)導通(tong)時(shi)，OPTO引(yin)(yin)腳被拉低(di)，內(nei)部比較器在(zai)它的(de)一個輸入端檢測到較低(di)的(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，比較器的(de)另一輸入電(dian)(dian)(dian)流(liu)檢測引(yin)(yin)腳(CS)的(de)峰值(zhi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，OPTO引(yin)(yin)腳的(de)低(di)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)將在(zai)每個周期直(zhi)接限制(zhi)功率MOSFETN1的(de)峰值(zhi)電(dian)(dian)(dian)流(liu)。由于U1是一個PWM控制(zhi)器，電(dian)(dian)(dian)流(liu)限制(zhi)使得電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)調(diao)節(jie)受作(zuo)用在(zai)N1上的(de)占空比(導通(tong)時(shi)間與斷開時(shi)間的(de)比值(zhi))的(de)影(ying)響，環路穩定性通(tong)過(guo)調(diao)節(jie)R11和(he)C12來(lai)保(bao)證。R10和(he)C5(連接在(zai)U3的(de)第3和(he)第4引(yin)(yin)腳)可(ke)消(xiao)除穩定工作(zuo)情況下(xia)的(de)噪聲干(gan)擾(rao)。

U4的工作特點

U4是一(yi)(yi)款用(yong)于(yu)(yu)單節(jie)Li+電(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)、功能完備(bei)的充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器，采用(yong)線性(xing)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)模式，內(nei)置(zhi)調整管和電(dian)(dian)(dian)流(liu)檢測(ce)電(dian)(dian)(dian)路。另外，它還集(ji)成了一(yi)(yi)個反向抑制二(er)極管，在(zai)去(qu)掉輸入電(dian)(dian)(dian)源時(shi)可防止電(dian)(dian)(dian)池(chi)方向放(fang)電(dian)(dian)(dian)。接入一(yi)(yi)個深度放(fang)電(dian)(dian)(dian)的電(dian)(dian)(dian)池(chi)時(shi)，U4能夠檢測(ce)到(dao)低(di)電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(低(di)于(yu)(yu)2.5V)，這樣(yang)，U4將首先啟動涓(juan)(juan)流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)過程，在(zai)快充(chong)(chong)周(zhou)期的1/10時(shi)間(jian)段對電(dian)(dian)(dian)池(chi)進(jin)行涓(juan)(juan)流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)，直到(dao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)上升到(dao)2.5V以上。在(zai)涓(juan)(juan)流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)到(dao)快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)轉換時(shi)，軟啟動電(dian)(dian)(dian)路迫(po)使充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)在(zai)3ms時(shi)間(jian)內(nei)緩慢上升，避免(mian)較大(da)的浪涌(yong)電(dian)(dian)(dian)流(liu)拉低(di)輸入電(dian)(dian)(dian)源。

   上述功(gong)(gong)能的實(shi)施不需要微控制(zhi)器的監管(guan)，而且(qie)，U4還具有可編程的溫度限(xian)制(zhi)功(gong)(gong)能，我們會在下面就這(zhe)一點進行詳(xiang)細討(tao)論。用一個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻設置最大(da)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，電(dian)(dian)(dian)(dian)阻兩端的電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)與充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)成正比，通過監視(shi)該電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)即可連(lian)續跟(gen)蹤(zong)(zong)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，更為復雜的系統也可以采用ADC跟(gen)蹤(zong)(zong)監視(shi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。

Maxim還(huan)提供(gong)有另一款(kuan)與MAX1507非常(chang)相似的充電(dian)(dian)器―MAX1555，這款(kuan)IC能夠在沒有交流電(dian)(dian)源的情況下從(cong)USB主機獲(huo)得充電(dian)(dian)電(dian)(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1電路中選用(yong)了一(yi)個(ge)1.87kΩ的(de)電阻，將最大電流設置在780mA:

Ifast=1461V/Rset=1461/1870≈780mA

電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓最小時(shi)，由于輸入(ru)穩定在4.5V，U4輸入(ru)與輸出的壓差最大(da)(da)，如果此時(shi)電(dian)(dian)池(chi)是以(yi)最大(da)(da)電(dian)(dian)流充電(dian)(dian)，U4功(gong)耗(hao)(hao)將達到最大(da)(da)值。例(li)如，假(jia)設電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓為2.5V，則對(dui)應(ying)的功(gong)耗(hao)(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)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓達到(dao)內部設置的4.2V±1%。電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓達到(dao)門限值后，U4將(jiang)輸出(chu)電(dian)(dian)壓保持(chi)在4.2V，從而使(shi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流開始下(xia)降。充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流降低(di)到(dao)快充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)流的10%時，充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)指示(shi)燈關閉，表(biao)示(shi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)周期結束。

如(ru)果充(chong)電過程中輸出負載增大(da)，例如(ru)，用戶在電池(chi)充(chong)電時啟動了其它電路，U4允(yun)許(xu)返回到限流(liu)模式(shi)。

測試結果

圖(tu)1電(dian)(dian)(dian)路輸(shu)入為(wei)110V交流(liu)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)，輸(shu)出為(wei)4.14V、740mA負(fu)載，效率可達到46%。當負(fu)載電(dian)(dian)(dian)流(liu)增大使電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)降(jiang)至(zhi)2.7V時，電(dian)(dian)(dian)路將輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)流(liu)限制在(zai)802mA，比設(she)置的(de)780mA限流(liu)門(men)限提高不到3%，在(zai)規定的(de)參(can)數指標以(yi)內。MAX1507允(yun)許±8%的(de)變化(hua)。當電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)拉至(zhi)2.5V時，輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)流(liu)降(jiang)至(zhi)76.1mA，在(zai)78mA(780mA的(de)1/10)的(de)3%以(yi)內。U4數據手(shou)冊(ce)中規定允(yun)許±5%的(de)范圍。輸(shu)出短路時電(dian)(dian)(dian)路還允(yun)許返回到該模(mo)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來說，效率并不重要。

利(li)用電(dian)(dian)(dian)流模式(shi)PWM控(kong)制(zhi)器(qi)(U1)構(gou)(gou)成(cheng)隔離電(dian)(dian)(dian)源(yuan)，結合Li+電(dian)(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)(dian)IC(U4)和其它(ta)元件(jian)可以構(gou)(gou)成(cheng)一個由通用的(de)(de)交(jiao)流電(dian)(dian)(dian)源(yuan)供電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)Li+電(dian)(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)。該方(fang)案不需要任何額外的(de)(de)控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路(如微控(kong)制(zhi)器(qi)的(de)(de)干預(yu))，也不需要軟(ruan)件(jian)開發。硬件(jian)開發只(zhi)需對Maxim提供的(de)(de)標準評估板稍(shao)作修改(gai)即可，具(ju)有成(cheng)本低、開發周期短(duan)等優勢。

由于系統(tong)沒有(you)60Hz的(de)隔離變壓器(qi)，具有(you)尺寸小、輕便等特(te)點，可用于手機或其它手持設備(bei)的(de)充電。所(suo)有(you)熱量均(jun)集中在交流適配器(qi)內(nei)，與內(nei)置充電器(qi)的(de)手持設備(bei)相比，不需(xu)要過多(duo)考慮散熱問題。