一种锂离子智能充电器的设计与实现

　　1　引言

　　锂离子电池具有较高的能量密度，与其它电池相比具有体积小、重量轻等优势，但对保护电路要求较高，在电池的使用过程中，需严格避免出现过充、过放电现象。通常，锂离子电池充电方式为恒流-恒压方式。为保证安全充电，一般通过检测充电电池的电压来判断电池是否充满，除电压检测外还需采用其它的辅助方法作为防止过充的后备措施，如检测电池温度、限定充电时间等辅助方法。此外，由于锂离子电池出现过充电时同样也会造成电池的损环，一般在电池充电前需要检测电池是否可充，通常在对锂离子电池进行快速充电时需保证每节电池电压高于2.5V，温度高于2.5℃、低于50℃，这就要求充电器具有预充过程。由此看来，虽然锂离子电池具有较高的性能指标，但对充电器的保护措施要求较高，如果用分立元件构成锂离子电池充电器，电路将十分复杂，而且设计时间较长。利用Maxim最新推出的MAX1757可以构成1节至3节锂离子电池充电器，这种芯片内置14V功率开关，简化了多节锂离子电池充电器的设计。在一些中等功率、高端便携式产品中（如数码相机、摄像机等），一般采用2节至3节锂离子电池供电，选用MAX1757构成电池充电器非常合适。[2][5]

　　2 芯片引脚功能介绍及充电器工作原理

　　2.1　　芯片引脚功能简单介绍

　　MAX1757采用28引脚的SSOP贴片式封装。每个引脚的具体功能不作详细介绍，在此仅介绍本文用到的引脚功能。VL引脚：芯片电源输入端。由DCIN端经线性稳压器输出5.4V，VL接2.2μF以上的陶瓷电容到地；ISTTIN引脚：输入电流限制调节端。在VREF与GND之间接一电阻分压器来调节；ISTTOUT引脚：电池充电电流调节端。在VREF与GND之间接一电阻分压器来调节；REF引脚：4.2V 基准电压输出端。此端接一个1μF以上陶瓷旁路电容到地；GND引脚：模拟地；VADJ引脚：电压调整端。在VREF与GND之间接一电阻分压器来调节电池充电电压，其调节范围为4.2V±5％；PGND引脚：电源地。电流从低端FET开关的源极流入PGND；LX引脚：电源外接电感端；BST引脚：内部高端MOSFET漏极偏置；DCIN引脚：电源输入端。它的输入为VL提高稳压电源，此端接一0.1μF以上的旁路电容。[1]

　　2.2　　充电器工作原理

　　图1是MAX1757的内部电路，包括输入电流检测器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流, 包括:系统负载电流与充电电流, 当检测到输入电流大于设定的限流门限时, 通过降低电池充电电流可达到限制输入电流的目的, 因为系统工作时电源电流的变化范围较大, 如果充电器没有输入电流检测功能,则输入电源(墙上适配器或其它直流电源)必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和,这将使电源的成本增高、体积增大, 而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求,同时也简化了输入电源的设计。电压检测电路可与电流检测电路分别对电池电压和充电电流进行调节、监测。MAX1757的电压检测精度为±0.8%。电压检测和电流检测结果送入主控制器,主控制器驱动内部高边MOSFET导通或断开以达到控制充电电流或限制电池电压的目的。定时器和温度检测器为电池充电提供附加保护,由于充电效率达不到100%,充电时间限定值应留有裕量。对于温度传感器应靠近电池安装，并且温度传感器可选择具有负温度系数的热敏电阻,+25℃时阻值为10kΩ（Philips、Cornerstone传感器公司、Fenwall电子公司均可提供适当的产品以满足用户的需要）。MAX1757以1.2Hz的频率检测电池温度。

　　图1　充电器内部工作原理图

　　3　充电过程曲线图

　　MAX1757内置充电状态控制,图2是充电过程曲线图。充电过程分为预充、快充和满充与顶端截止充电状态。

　　图2　充电过程曲线图

　　3.1　预充状态

　　在安装好电池后,接通输入直流电源,当充电器检测到输入电压大于电池电压时，则将定时器复位,从而进入预充过程, 在此期间充电器以快充电流的1/10给电池充电,使电池电压、温度恢复到正常状态,预充时间由定时器1的外接电容确定, 如果在规定的充电时间内电池电压达到2.5V以上,电池温度正常(高于2.5℃、低于50℃),则充电进入快充过程;如果电池电压低于2.5V,则认为电池不可充电,充电器显示电池故障。

　　3.2　快充状态

　　快充过程也称恒流充电,此时充电器以恒定电流ICHG对电池充电。根据电池厂商推荐的充电速率,一般对于锂离子电池大多选用1C充电速率（表示电池充电的速度，即充电和放电电流通常用电池额定容量C的倍数表示，叫做充电速率）,充满电池大约需要1个多小时。恒流充电时,电池电压将缓慢上升,一旦电池电压达到所设定的终止电压(一般为4.1V或4.2V), 恒流充电终止,充电电流快速递减,充电进入满充过程。

　　3.3　满充与顶端截止充电状态

　　在满充过程中,充电电流逐渐衰减,直到充电速率降低到C/10(默认设置为电流递减到330mA)以下或满充时间超时时,转入顶端截止充电;顶端截止充电时,充电器以极小的充电电流为电池补充能量。由于充电器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电池内阻,尽管在满充和顶端截止充电过程中充电电流逐渐下降,减小了电池内阻和其它串联电阻对电池端电压的影响,但串联在充电回路中的电阻形成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响,顶端截止充电为最大限度地补充电池能量起到了重要作用。一般情况下,满充和顶端终止充电可以延长电池5%～10%的使用时间。

　　4　充电器参数设置

　　4.1　电池终止电压设置

　　通过外接分压电阻可设置电池充电终止电压,分压电阻精度为1%、电阻值低于100kΩ。电池充电终止电压与电池的化学特性和电池构造有关,具体参数由电池厂商提供。VADJ引脚的电压VVADJ与电池充电终止电压(VBATTR)、电池节数(N)、基准电压(VREF)之间的关系由下式确定:

　　VVADJ=(9.5VBATTR/N)-(9.0VREF)

　　4.2 充电电流设置

　　快充过程的充电电流由ISETOUT引脚的电压值(VIESTOUT)决定,该电压由连接在REF和GND之间的分压电阻调节。当ISETOUT引脚接REF时,电流为最大值(为1.5A)。ICHG与VIESTOUT的关系式如下:

　　ICHG=1.5(VIESTOUT/VREF)

　　4.3 输入限流设置

　　输入限流门限IIN由ISETTIN引脚的电压确定,根据下式可确定IIN的值。

　　ICHG=0.1(VISETIN/VREF)/R1

　　4.4 选择电感

　　电感值与电流纹波的大小有关,选用较大的电感时电流纹波较小,但如果电感的物理尺寸相同时,电感值越大。通常，电感的等效串联电阻和额定电流较小,从总体指标考虑,电流纹波一般设置为平均充电电流的30%～50%,假设纹波电流与直流充电电流之比为LIR,则电感值由下式确定:

　　L=[VBATT(VDCIN(MAX)-VBATT)]/[VDCIN(MAX)foscICHGLIR]

　　公式中:fosc为充电器内部DC-DC变换器的开关频率,为300kHz。电感额定电流应大于ICHG[1+LIR/2]。

　　4.5　　　 充电时间设置

　　MAX1757内含四个定时时间设置功能,即预充、快充、满充、顶端截止充电时间。在定时器1外接电容可设置预充、满充和顶端截止充电过程的时间限制，在定时器2上外接电容可设置快充时间限制。当充电速率为1C时,典型充电时间设置为(定时器1与定时器2的外接电容均为1nF):预充时间为7.5分钟、快充时间为90分钟、满充时间为90分钟、顶端终止充电时间为45分钟。定时器1与定时器2外接电容与充电时间的关系如图3、图4所示。

　　图3 定时器1外接电容与充电时间的关系　　

　　图4 定时器2外接电容与充电时间的关系

　　5　选择外围器件注意事项

　　在选择MAX1757外围元器件时，应注意以下几点：

　　（1）由于电感的大小与输入电压、充电电流等因素有关，所以选择电感时，应选择电感磁性材料饱和电流大于2A，并且取值可适当调整。

　　（2）靠近充电电池处的电容应分别选用多层陶瓷电容和低等效串联电阻（ESR）的电解电容。

　　（3）二极管应选用工作电流大于2A的肖特基二极管。

　　（4）预充、快充、满充和故障指示灯处的限流电阻，其阻值取决于VIN。通常情况，可按如下经验公式计算：

　　R=（VIN -2）/ 20(kΩ)

　　6　脉宽调制控制器

　　脉宽调制(PWM)控制器驱动内部高边场效应管来控制充电电流或电压。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中[3]。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz。[4]其充电器具体工作过程为当开关在标称电压之间循环时，内部钳位电压限制非控制信号使其在200mV范围内阻止延时。电流模式下的脉宽调制控制器测量感应电流来调整输出电压或电流，从而简化调整循环的稳定性。并且，各自的补偿使其调整电路更稳定，保证了在较宽范围内占空比的稳定工作。控制器驱动内部的N沟道场效应管开关使输入电压下降到电池电压。高边场效应管的栅极被高于靠近电容的输入源电压所驱动。当LX为低时，这个电容（在VL和LX之间）通过从VL处的二极管被充电。当高边的开关关闭，并连接LX与PGND来保证电容充电时，内部N沟道场效应管即刻启动。当源电压接近输入电压时，高边场效应管的栅极由提供充足电压的BST来驱动。其工作状态的波形如图5所示。

　　图5　脉宽调制工作状态波形图

　　7　结论

　　本设计有效利用了锂离子充电芯片MAX1757，其设计过程（外围电路）简单，具有体积小、重量轻、充电节数可编程等优点，并且性能可靠、稳定，适用性强。