適用于全球交流電源鋰離子電池充電器設計

文介紹了一個單節(jié)鋰離子(Li+)電池的充電方案，該方案基于MAX5022芯片，適用于全球的交流電源，而且無需軟件控制或微處理器干預就能實現(xiàn)所有的充電功能。

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(guī)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?？焖俪潆姳蠕噶鞒潆姼軞g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(tài)下快充，而不是恒壓狀態(tài)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(guī)定的范圍內(nèi)，當電池電壓維持在最大單節(jié)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(qū)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(jīng)完全充滿的電池繼續(xù)輸入充電電流的技術)，Li+電池的自放電非常低，所以不需要浮充。

Li+電池

為便攜式產(chǎn)品選擇電池時，最重要的是高能量密度、尺寸、重量和價格。迄今為止，Li+電池在最為流行的電池中能夠提供最高的體積和能量密度，但其每瓦時的成本也較高。鉛酸電池的每瓦時成本最低，但比較笨重。本文以Li+電池為例討論充電器的設計，它在便攜式產(chǎn)品中已經(jīng)被普遍使用。我們選擇780mA的充電電流和4.2V的終止電壓。

圖1：通用輸入交流電壓的離線式Li+電池充電器。

圖1所示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(jié)Li+電池所要求的精確的充電電壓和電流。充電器IC(U4)集成了全面的保護功能(電壓、電流和自保護)，確保Li+電池的安全充電。

假設Li+電池帶有過流、過壓和過熱保護，這些保護特性在電池包里是必需的，因為充電期間一旦電路出現(xiàn)故障，Li+電池將存在很大的危險性，過流、過壓或溫度過高都有可能造成Li+電池爆炸。

電路描述

圖1包括兩顆主器件(U1和U4)、精密基準(U3)和光耦(U2)。U1是離線式開關控制器，配合隔離變壓器、光耦和基準產(chǎn)生隔離的穩(wěn)壓直流輸出。直流電壓供給電池充電器(U4)，U4提供電流限制、電壓調(diào)節(jié)、電池充電和充電指示等功能。本方案中，U4是一款簡單的線性充電器，內(nèi)置調(diào)整管，結合其熱控制環(huán)路提供快速充電。

MAX5022的特性

U1(MAX5022)在寬輸入范圍的應用中很容易設計，本文所提供的方案要求能夠滿足全球各地的交流電源規(guī)格，這里假設通用的輸入電源電壓范圍為85VAC至265VAC。MAX5022的輸入范圍指標以及評估板電路的輸入范圍恰好滿足這一需求。對于圖1所示充電器的電源端MAX5022評估板不需要作任何修改，隔離端只需對評估板的電阻值稍作修改。

對于更大功率的應用，只需選取功率較大的開關管和能夠處理更大功率的變壓器即可。圖1所示電路要求充電電流為780mA，最大電池電壓為4.2V。對充電電源的要求與MAX5022評估板所提供的輸出相吻合：5V@1A，因此，不需要更換評估板的晶體管和變壓器。U4采用SOT23封裝，所以，充電器的尺寸在很大程度上取決于應用對充電電源的需求。變壓器是電路中尺寸最大的元件，由于開關控制器的工作頻率大于250kHz，允許系統(tǒng)選用小尺寸的變壓器。

上電時，在開關控制器工作之前，U1調(diào)節(jié)器直接通過泄漏電阻R1、R2從整流通路吸取少量的電流，兩個電阻阻值保證每個電阻上的壓降不會超出每個電阻的容限，Vin引腳電壓不會超出其28V額定值(30V為絕對最大值)，U1在輸入電壓達到24V時開始開關操作，并吸取更大的電流(高于R1、R2所能提供的電流)，在變壓器副邊線圈能夠提供足夠的能量之前，額外的電流由Vin引腳的旁路電容供給。這種處理方式能夠適合較寬的輸入電壓范圍，對效率的影響也很小，這是因為在啟動過程中只需極小的供電電流(典型值為50uA)。  

為了防止U1的Vin引腳出現(xiàn)過壓，可以在Vin與地之間接一個26V至30V的齊納管，電壓值需要高于欠壓鎖存電壓的最大值，低于該引腳所允許的最大絕對電壓。如果器件沒有啟動正常的開關操作，則可認為電路發(fā)生了某些問題，所以，這一保護措施對于U1來說并不是必需的。

U1是一款電流模式PWM控制器，具有逐周期限流電路，必要時其占空比可以提高到75%，非常適合圖1所示的反激拓撲。原邊開關電流檢測采用尺寸為1206的1.78Ω電阻(R7)，該電阻限制了變壓器原邊的最大電流。固定開關頻率和最大占空比限制使得最大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限制條件，第三組線圈將無法提供10V以上的電壓(UVLO的低電壓門限)，U1將再次進入啟動狀態(tài)，停止開關操作。短路故障解除后系統(tǒng)會自動恢復正常的工作狀態(tài)。  

電壓調(diào)節(jié)
 
變壓器副邊的電壓經(jīng)過整流、濾波，然后由R4、R5分壓在并聯(lián)型穩(wěn)壓器U3的調(diào)節(jié)點產(chǎn)生1.24V(對應于4.5V輸出)的反饋電壓。為保證電池充電器正常工作，4.5V是最低電壓(包括容差)。因為充電器采用的是線性結構，充電效率與輸入、輸出電壓的差值成反比，用最低電壓為充電器供電有助于降低功率損耗。  

當調(diào)節(jié)點電壓高于1.24V時，并聯(lián)型穩(wěn)壓器將吸入電流，導通光耦LED，原邊的光敏晶體管將處于發(fā)光狀態(tài)。U1的OPTO輸入引腳用于直接連接光敏晶體管，以極其簡單的方式構成閉合環(huán)路。光敏晶體管導通時，OPTO引腳被拉低，內(nèi)部比較器在它的一個輸入端檢測到較低的電壓，比較器的另一輸入電流檢測引腳(CS)的峰值電壓，OPTO引腳的低電壓將在每個周期直接限制功率MOSFETN1的峰值電流。由于U1是一個PWM控制器，電流限制使得電壓調(diào)節(jié)受作用在N1上的占空比(導通時間與斷開時間的比值)的影響，環(huán)路穩(wěn)定性通過調(diào)節(jié)R11和C12來保證。R10和C5(連接在U3的第3和第4引腳)可消除穩(wěn)定工作情況下的噪聲干擾。

U4的工作特點

U4是一款用于單節(jié)Li+電池充電、功能完備的充電器，采用線性充電模式，內(nèi)置調(diào)整管和電流檢測電路。另外，它還集成了一個反向抑制二極管，在去掉輸入電源時可防止電池方向放電。接入一個深度放電的電池時，U4能夠檢測到低電池電壓(低于2.5V)，這樣，U4將首先啟動涓流充電過程，在快充周期的1/10時間段對電池進行涓流充電，直到電池電壓上升到2.5V以上。在涓流充電到快速充電轉(zhuǎn)換時，軟啟動電路迫使充電電流在3ms時間內(nèi)緩慢上升，避免較大的浪涌電流拉低輸入電源。

   上述功能的實施不需要微控制器的監(jiān)管，而且，U4還具有可編程的溫度限制功能，我們會在下面就這一點進行詳細討論。用一個電阻設置最大充電電流，電阻兩端的電壓與充電電流成正比，通過監(jiān)視該電壓即可連續(xù)跟蹤充電電流，更為復雜的系統(tǒng)也可以采用ADC跟蹤監(jiān)視充電電流。

Maxim還提供有另一款與MAX1507非常相似的充電器—MAX1555，這款IC能夠在沒有交流電源的情況下從USB主機獲得充電電源。  

電流調(diào)節(jié)

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(huán)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(nèi)。U4根據(jù)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1.87kΩ的電阻，將最大電流設置在780mA:

Ifast=1461V/Rset=1461/1870≈780mA

電池電壓最小時，由于輸入穩(wěn)定在4.5V，U4輸入與輸出的壓差最大，如果此時電池是以最大電流充電，U4功耗將達到最大值。例如，假設電池電壓為2.5V，則對應的功耗為：

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(nèi)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(huán)境溫度或不良的散熱條件達到了70℃，U4內(nèi)部的熱調(diào)節(jié)環(huán)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(guī)定的數(shù)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，直到電池電壓達到內(nèi)部設置的4.2V±1%。電池電壓達到門限值后，U4將輸出電壓保持在4.2V，從而使充電電流開始下降。充電電流降低到快充電流的10%時，充電指示燈關閉，表示充電周期結束。

如果充電過程中輸出負載增大，例如，用戶在電池充電時啟動了其它電路，U4允許返回到限流模式。

測試結果

圖1電路輸入為110V交流電源，輸出為4.14V、740mA負載，效率可達到46%。當負載電流增大使電池電壓降至2.7V時，電路將輸出電流限制在802mA，比設置的780mA限流門限提高不到3%，在規(guī)定的參數(shù)指標以內(nèi)。MAX1507允許±8%的變化。當電池電壓拉至2.5V時，輸出電流降至76.1mA，在78mA(780mA的1/10)的3%以內(nèi)。U4數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定允許±5%的范圍。輸出短路時電路還允許返回到該模式。

空載時，輸出穩(wěn)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(xù)性，但會降低系統(tǒng)效率，但對于交流電供電系統(tǒng)來說，效率并不重要。

本文小結

利用電流模式PWM控制器(U1)構成隔離電源，結合Li+電池充電IC(U4)和其它元件可以構成一個由通用的交流電源供電的Li+電池充電器。該方案不需要任何額外的控制電路(如微控制器的干預)，也不需要軟件開發(fā)。硬件開發(fā)只需對Maxim提供的標準評估板稍作修改即可，具有成本低、開發(fā)周期短等優(yōu)勢。

由于系統(tǒng)沒有60Hz的隔離變壓器，具有尺寸小、輕便等特點，可用于手機或其它手持設備的充電。所有熱量均集中在交流適配器內(nèi)，與內(nèi)置充電器的手持設備相比，不需要過多考慮散熱問題。

作者注：調(diào)試本文介紹的電路時需要特別小心，因為這個電路的原邊連接的是交流電源，并且整流在很高的直流電壓，因此存在潛在的致命危險。任何調(diào)試本電路的人員必須嚴格遵守MAX5022評估板規(guī)格書中關于防范的討論，這份規(guī)格書可以申請或者從Maxim的網(wǎng)站上得到。

來源：電子工程專輯