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  

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技(ji)術(shu))，Li+電池(chi)的自(zi)放電非常(chang)低，所(suo)以不需要浮(fu)充。

Li+電池

為便攜式產品(pin)選擇電(dian)(dian)池(chi)時(shi)，最(zui)重(zhong)(zhong)要的(de)是高能量密(mi)度、尺寸、重(zhong)(zhong)量和(he)價格。迄今(jin)為止(zhi)(zhi)，Li+電(dian)(dian)池(chi)在(zai)最(zui)為流行的(de)電(dian)(dian)池(chi)中能夠(gou)提供最(zui)高的(de)體(ti)積和(he)能量密(mi)度，但其每瓦(wa)(wa)時(shi)的(de)成(cheng)本也較高。鉛酸電(dian)(dian)池(chi)的(de)每瓦(wa)(wa)時(shi)成(cheng)本最(zui)低，但比較笨重(zhong)(zhong)。本文以Li+電(dian)(dian)池(chi)為例討(tao)論充(chong)電(dian)(dian)器的(de)設計，它在(zai)便攜式產品(pin)中已經被(bei)普遍使用。我們選擇780mA的(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流和(he)4.2V的(de)終止(zhi)(zhi)電(dian)(dian)壓(ya)。

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(cheng)了(le)全面(mian)的保護功能(電壓、電流和自保護)，確保Li+電池的安全充(chong)電。

假設Li+電(dian)(dian)池(chi)帶(dai)有過(guo)流、過(guo)壓和過(guo)熱保護，這些保護特性在電(dian)(dian)池(chi)包里(li)是(shi)必(bi)需的，因為充(chong)電(dian)(dian)期間(jian)一旦電(dian)(dian)路出現(xian)故障，Li+電(dian)(dian)池(chi)將存在很大的危險性，過(guo)流、過(guo)壓或(huo)溫度過(guo)高都有可(ke)能造(zao)成Li+電(dian)(dian)池(chi)爆炸。

包括兩(liang)顆主器(qi)件(jian)(U1和(he)U4)、精密(mi)基準(U3)和(he)光(guang)耦(U2)。U1是離線(xian)式開關控制(zhi)器(qi)，配合(he)隔離變壓(ya)器(qi)、光(guang)耦和(he)基準產生隔離的穩壓(ya)直流輸出。直流電(dian)(dian)壓(ya)供給電(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)器(qi)(U4)，U4提供電(dian)(dian)流限(xian)制(zhi)、電(dian)(dian)壓(ya)調節(jie)、電(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)和(he)充(chong)電(dian)(dian)指示等功能。本方案(an)中，U4是一款簡單的線(xian)性充(chong)電(dian)(dian)器(qi)，內置調整管，結合(he)其(qi)熱控制(zhi)環路(lu)提供快速充(chong)電(dian)(dian)。

MAX5022的特(te)性

U1(MAX5022)在寬輸(shu)入(ru)范(fan)圍的(de)應用中(zhong)很容易設(she)計，本文所(suo)提供的(de)方(fang)案要求能夠(gou)滿(man)足全球各地的(de)交(jiao)流電(dian)(dian)源規格，這里(li)假設(she)通用的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)源電(dian)(dian)壓范(fan)圍為85VAC至(zhi)265VAC。MAX5022的(de)輸(shu)入(ru)范(fan)圍指標以及評(ping)估板(ban)電(dian)(dian)路的(de)輸(shu)入(ru)范(fan)圍恰好滿(man)足這一需(xu)求。對于圖(tu)1所(suo)示充電(dian)(dian)器的(de)電(dian)(dian)源端(duan)MAX5022評(ping)估板(ban)不需(xu)要作(zuo)(zuo)任何(he)修改(gai)，隔離端(duan)只需(xu)對評(ping)估板(ban)的(de)電(dian)(dian)阻值(zhi)稍作(zuo)(zuo)修改(gai)。

對(dui)(dui)于(yu)更大功(gong)率(lv)的(de)應(ying)用，只需(xu)選取(qu)功(gong)率(lv)較大的(de)開關管(guan)和能夠處理更大功(gong)率(lv)的(de)變(bian)壓(ya)(ya)器即可。圖1所示電(dian)路要(yao)求充電(dian)電(dian)流(liu)為780mA，最大電(dian)池電(dian)壓(ya)(ya)為4.2V。對(dui)(dui)充電(dian)電(dian)源(yuan)的(de)要(yao)求與(yu)MAX5022評(ping)估板(ban)所提供的(de)輸(shu)出相吻合(he)：5V@1A，因(yin)此，不需(xu)要(yao)更換評(ping)估板(ban)的(de)晶(jing)體管(guan)和變(bian)壓(ya)(ya)器。U4采用SOT23封裝(zhuang)，所以，充電(dian)器的(de)尺(chi)寸在很大程度上取(qu)決(jue)于(yu)應(ying)用對(dui)(dui)充電(dian)電(dian)源(yuan)的(de)需(xu)求。變(bian)壓(ya)(ya)器是電(dian)路中尺(chi)寸最大的(de)元件，由于(yu)開關控制器的(de)工作頻率(lv)大于(yu)250kHz，允(yun)許系統選用小尺(chi)寸的(de)變(bian)壓(ya)(ya)器。

上電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時，在開(kai)關(guan)(guan)控制器(qi)工(gong)作之(zhi)前，U1調節器(qi)直接通過(guo)泄漏(lou)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻R1、R2從(cong)整流(liu)通路(lu)吸取(qu)少量的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，兩個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻阻值(zhi)(zhi)保證每(mei)個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻上的(de)壓降不(bu)會超(chao)出每(mei)個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻的(de)容(rong)限，Vin引(yin)腳(jiao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓不(bu)會超(chao)出其28V額定(ding)值(zhi)(zhi)(30V為絕(jue)對最大(da)值(zhi)(zhi))，U1在輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓達到24V時開(kai)始開(kai)關(guan)(guan)操作，并吸取(qu)更大(da)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(高于R1、R2所能提供(gong)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu))，在變壓器(qi)副邊線圈能夠提供(gong)足(zu)夠的(de)能量之(zhi)前，額外的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)由Vin引(yin)腳(jiao)的(de)旁路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)供(gong)給。這種(zhong)處理方式(shi)能夠適合較寬(kuan)的(de)輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓范圍，對效率(lv)的(de)影(ying)響也很小，這是因為在啟動過(guo)程(cheng)中只需極小的(de)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(典型值(zhi)(zhi)為50uA)。  

為(wei)了(le)防止U1的(de)(de)Vin引(yin)腳出(chu)現(xian)過壓，可以在Vin與地之間接(jie)一個26V至30V的(de)(de)齊(qi)納管，電壓值(zhi)需(xu)(xu)要(yao)高(gao)于欠壓鎖存電壓的(de)(de)最大值(zhi)，低于該(gai)引(yin)腳所(suo)允(yun)許的(de)(de)最大絕(jue)對電壓。如果器件沒(mei)有啟動正常的(de)(de)開關操作，則可認為(wei)電路發(fa)生了(le)某些(xie)問題，所(suo)以，這一保護措(cuo)施對于U1來說并不是必需(xu)(xu)的(de)(de)。

U1是一款(kuan)電流模式PWM控(kong)制器，具有逐(zhu)周期限流電路，必(bi)要時其占空比可以提高到75%，非(fei)常適合圖1所示的(de)(de)(de)反(fan)激拓撲。原邊(bian)開關電流檢測(ce)采用尺(chi)寸為(wei)1206的(de)(de)(de)1.78Ω電阻(zu)(R7)，該電阻(zu)限制了變壓器原邊(bian)的(de)(de)(de)最大(da)(da)(da)電流。固(gu)定開關頻率(lv)和最大(da)(da)(da)占空比限制使得(de)最大(da)(da)(da)限流具有輸出短路保護功能。  

一旦短路輸出造成電路達到了上述(shu)限(xian)制(zhi)條件，第(di)三組線圈將無法提供(gong)10V以上的電壓(ya)(UVLO的低電壓(ya)門(men)限(xian))，U1將再次進入啟動狀(zhuang)態，停止開關操作。短路故障解除后系統會(hui)自動恢復正常(chang)的工作狀(zhuang)態。  

電壓調節
 
變壓(ya)器副邊(bian)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)經(jing)過整流、濾波，然后由R4、R5分壓(ya)在并聯型穩壓(ya)器U3的(de)(de)(de)調節點產生1.24V(對應于4.5V輸(shu)出)的(de)(de)(de)反饋電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。為保證電(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器正常(chang)工作，4.5V是最低(di)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(包括(kuo)容差(cha))。因(yin)為充(chong)電(dian)(dian)(dian)器采用的(de)(de)(de)是線性結構，充(chong)電(dian)(dian)(dian)效率與輸(shu)入、輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)差(cha)值成反比，用最低(di)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為充(chong)電(dian)(dian)(dian)器供(gong)電(dian)(dian)(dian)有助于降低(di)功率損(sun)耗。  

當調節(jie)點電壓(ya)(ya)(ya)高于(yu)1.24V時(shi)(shi)，并(bing)聯型穩壓(ya)(ya)(ya)器將吸(xi)入(ru)電流(liu)，導(dao)通(tong)光(guang)(guang)耦(ou)LED，原(yuan)邊的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)敏晶體(ti)管將處于(yu)發光(guang)(guang)狀態(tai)。U1的(de)(de)(de)(de)OPTO輸(shu)入(ru)引(yin)腳(jiao)用于(yu)直(zhi)接(jie)連接(jie)光(guang)(guang)敏晶體(ti)管，以極其簡單的(de)(de)(de)(de)方式構成閉(bi)合環路(lu)。光(guang)(guang)敏晶體(ti)管導(dao)通(tong)時(shi)(shi)，OPTO引(yin)腳(jiao)被拉低(di)，內部比(bi)較器在(zai)它的(de)(de)(de)(de)一個(ge)輸(shu)入(ru)端檢測到較低(di)的(de)(de)(de)(de)電壓(ya)(ya)(ya)，比(bi)較器的(de)(de)(de)(de)另(ling)一輸(shu)入(ru)電流(liu)檢測引(yin)腳(jiao)(CS)的(de)(de)(de)(de)峰值電壓(ya)(ya)(ya)，OPTO引(yin)腳(jiao)的(de)(de)(de)(de)低(di)電壓(ya)(ya)(ya)將在(zai)每個(ge)周期直(zhi)接(jie)限制(zhi)功(gong)率MOSFETN1的(de)(de)(de)(de)峰值電流(liu)。由(you)于(yu)U1是一個(ge)PWM控制(zhi)器，電流(liu)限制(zhi)使得電壓(ya)(ya)(ya)調節(jie)受作用在(zai)N1上(shang)的(de)(de)(de)(de)占空比(bi)(導(dao)通(tong)時(shi)(shi)間與斷開時(shi)(shi)間的(de)(de)(de)(de)比(bi)值)的(de)(de)(de)(de)影響，環路(lu)穩定性(xing)通(tong)過調節(jie)R11和(he)C12來保證。R10和(he)C5(連接(jie)在(zai)U3的(de)(de)(de)(de)第3和(he)第4引(yin)腳(jiao))可消除穩定工作情況下的(de)(de)(de)(de)噪聲干(gan)擾。

U4的工作特點

U4是一(yi)款(kuan)用于單節(jie)Li+電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)、功能完備的(de)(de)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)，采用線性(xing)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)模(mo)式，內置(zhi)調整管和電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)檢測(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路。另外，它還集成了一(yi)個反向抑制二極管，在去(qu)掉(diao)輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)時(shi)(shi)可防止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)方向放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。接入一(yi)個深度放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)時(shi)(shi)，U4能夠檢測(ce)到低(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(低(di)于2.5V)，這樣(yang)，U4將首先啟(qi)動(dong)涓(juan)流(liu)(liu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過程，在快充(chong)(chong)(chong)周期的(de)(de)1/10時(shi)(shi)間段對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)進行涓(juan)流(liu)(liu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，直到電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)上(shang)升到2.5V以上(shang)。在涓(juan)流(liu)(liu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)到快速(su)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)轉換時(shi)(shi)，軟啟(qi)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路迫使(shi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)在3ms時(shi)(shi)間內緩慢上(shang)升，避免較大的(de)(de)浪(lang)涌電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)拉低(di)輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)。

   上述功(gong)能(neng)的(de)實施不需要微控制器(qi)的(de)監管，而且(qie)，U4還(huan)具有(you)可編程(cheng)的(de)溫度限(xian)制功(gong)能(neng)，我們(men)會(hui)在下面就這(zhe)一點進行(xing)詳(xiang)細討(tao)論。用(yong)一個電(dian)(dian)阻設(she)置最(zui)大充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，電(dian)(dian)阻兩端的(de)電(dian)(dian)壓(ya)與充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流成正比，通(tong)過監視該電(dian)(dian)壓(ya)即(ji)可連(lian)續跟(gen)蹤充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，更為復(fu)雜的(de)系統(tong)也可以采用(yong)ADC跟(gen)蹤監視充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流。

Maxim還提供有(you)另一款(kuan)與MAX1507非常相(xiang)似的充(chong)電(dian)器(qi)―MAX1555，這款(kuan)IC能夠在沒(mei)有(you)交流電(dian)源的情況下從USB主(zhu)機獲(huo)得(de)充(chong)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1電路中選用了一個(ge)1.87kΩ的電阻(zu)，將最大(da)電流設(she)置在780mA:

Ifast=1461V/Rset=1461/1870≈780mA

電池電壓最小時，由于輸入(ru)穩定在(zai)4.5V，U4輸入(ru)與輸出的(de)壓差最大，如果此時電池是以最大電流(liu)充電，U4功耗將(jiang)達到最大值。例如，假設電池電壓為2.5V，則對應(ying)的(de)功耗為：

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(chi)電(dian)壓達到(dao)內部設置的(de)4.2V±1%。電(dian)池(chi)電(dian)壓達到(dao)門(men)限值后(hou)，U4將輸出(chu)電(dian)壓保持在4.2V，從而使充(chong)電(dian)電(dian)流開始下降。充(chong)電(dian)電(dian)流降低到(dao)快充(chong)電(dian)流的(de)10%時，充(chong)電(dian)指(zhi)示燈關閉，表(biao)示充(chong)電(dian)周(zhou)期結束。

如(ru)果充電過程中輸出負載增(zeng)大，例如(ru)，用戶(hu)在(zai)電池充電時啟(qi)動了其它電路，U4允許返回到限流模式(shi)。

測試結果

圖1電(dian)(dian)(dian)路輸入為110V交流電(dian)(dian)(dian)源，輸出(chu)為4.14V、740mA負載，效率(lv)可達到46%。當(dang)負載電(dian)(dian)(dian)流增大使電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓降至(zhi)2.7V時，電(dian)(dian)(dian)路將輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)流限(xian)(xian)制(zhi)在(zai)802mA，比設置的780mA限(xian)(xian)流門限(xian)(xian)提高(gao)不到3%，在(zai)規(gui)定的參數指(zhi)標以(yi)內。MAX1507允許±8%的變化。當(dang)電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓拉至(zhi)2.5V時，輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)流降至(zhi)76.1mA，在(zai)78mA(780mA的1/10)的3%以(yi)內。U4數據手冊中規(gui)定允許±5%的范(fan)圍。輸出(chu)短路時電(dian)(dian)(dian)路還允許返回到該模(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。

利用電(dian)流模式PWM控制器(qi)(U1)構成(cheng)(cheng)隔離電(dian)源(yuan)，結(jie)合Li+電(dian)池充電(dian)IC(U4)和其它元件可(ke)(ke)以構成(cheng)(cheng)一個由(you)通用的(de)交流電(dian)源(yuan)供電(dian)的(de)Li+電(dian)池充電(dian)器(qi)。該方案不需要任(ren)何(he)額(e)外(wai)的(de)控制電(dian)路(如微控制器(qi)的(de)干預)，也不需要軟(ruan)件開(kai)發。硬件開(kai)發只需對Maxim提供的(de)標準評估板稍作修改(gai)即可(ke)(ke)，具有成(cheng)(cheng)本低、開(kai)發周(zhou)期短(duan)等優(you)勢。

由于(yu)系統沒有(you)(you)60Hz的(de)隔離變壓器(qi)(qi)，具有(you)(you)尺寸小、輕便等特點，可(ke)用于(yu)手機或(huo)其它手持設備的(de)充(chong)(chong)電。所(suo)有(you)(you)熱(re)量(liang)均集中在交流適配器(qi)(qi)內，與內置充(chong)(chong)電器(qi)(qi)的(de)手持設備相比，不需要過多考(kao)慮散(san)熱(re)問題(ti)。