一種鋰離子智能充電器的設計與實現(xiàn)

作者：時間：2008-04-22 來源：網(wǎng)絡

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摘要：本文介紹了由MAXIM公司生產(chǎn)的一種新型充電器件MAX1757構成的1～3節(jié)鋰離子電池充電器的工作原理和充電過程，并在此基礎上給出了該充電器的工作流程及參數(shù)設置；最后簡要闡述了PWM控制器的工作原理及其在充電過程中的作用。該產(chǎn)品已經(jīng)應用于某充電檢測平臺上。
關鍵詞：智能充電器；MAX1757；PWM控制器

Abstract: This paper introduces the principle of a Li-ion battery charger and the process of charging, which is made by Maxim company and consists of 1 to 3 cells Li-ions. Also, it introduces the working process and parameter setting of the charger. Finally, it introduces the principle of PWM controller and the function briefly during charging. The charger had been applied on a certain charging detecting platform.

Keywords: intelligent battery charger; MAX1757; PWM controller

1 引言

鋰離子電池具有較高的能量密度，與其它電池相比具有體積小、重量輕等優(yōu)勢，但對保護電路要求較高，在電池的使用過程中，需嚴格避免出現(xiàn)過充、過放電現(xiàn)象。通常，鋰離子電池充電方式為恒流-恒壓方式。為保證安全充電，一般通過檢測充電電池的電壓來判斷電池是否充滿，除電壓檢測外還需采用其它的輔助方法作為防止過充的后備措施，如檢測電池溫度、限定充電時間等輔助方法。此外，由于鋰離子電池出現(xiàn)過充電時同樣也會造成電池的損環(huán)，一般在電池充電前需要檢測電池是否可充，通常在對鋰離子電池進行快速充電時需保證每節(jié)電池電壓高于2.5V，溫度高于2.5℃、低于50℃，這就要求充電器具有預充過程。由此看來，雖然鋰離子電池具有較高的性能指標，但對充電器的保護措施要求較高，如果用分立元件構成鋰離子電池充電器，電路將十分復雜，而且設計時間較長。利用Maxim最新推出的MAX1757可以構成1節(jié)至3節(jié)鋰離子電池充電器，這種芯片內(nèi)置14V功率開關，簡化了多節(jié)鋰離子電池充電器的設計。在一些中等功率、高端便攜式產(chǎn)品中（如數(shù)碼相機、攝像機等），一般采用2節(jié)至3節(jié)鋰離子電池供電，選用MAX1757構成電池充電器非常合適。^[2][5]

2 芯片引腳功能介紹及充電器工作原理

2.1 芯片引腳功能簡單介紹

MAX1757采用28引腳的SSOP貼片式封裝。每個引腳的具體功能不作詳細介紹，在此僅介紹本文用到的引腳功能。VL引腳：芯片電源輸入端。由DCIN端經(jīng)線性穩(wěn)壓器輸出5.4V，VL接2.2μF以上的陶瓷電容到地；ISTTIN引腳：輸入電流限制調(diào)節(jié)端。在V_REF與GND之間接一電阻分壓器來調(diào)節(jié)；ISTTOUT引腳：電池充電電流調(diào)節(jié)端。在V_REF與GND之間接一電阻分壓器來調(diào)節(jié)；REF引腳：4.2V 基準電壓輸出端。此端接一個1μF以上陶瓷旁路電容到地；GND引腳：模擬地；VADJ引腳：電壓調(diào)整端。在V_REF與GND之間接一電阻分壓器來調(diào)節(jié)電池充電電壓，其調(diào)節(jié)范圍為4.2V5％；PGND引腳：電源地。電流從低端FET開關的源極流入PGND；LX引腳：電源外接電感端；BST引腳：內(nèi)部高端MOSFET漏極偏置；DCIN引腳：電源輸入端。它的輸入為VL提高穩(wěn)壓電源，此端接一0.1μF以上的旁路電容。^[1]

2.2 充電器工作原理

圖1是MAX1757的內(nèi)部電路，包括輸入電流檢測器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器和主控制器。輸入電流調(diào)節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流, 包括:系統(tǒng)負載電流與充電電流, 當檢測到輸入電流大于設定的限流門限時, 通過降低電池充電電流可達到限制輸入電流的目的, 因為系統(tǒng)工作時電源電流的變化范圍較大, 如果充電器沒有輸入電流檢測功能,則輸入電源(墻上適配器或其它直流電源)必須能夠提供最大負載電流與最大充電電流之和,這將使電源的成本增高、體積增大, 而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對直流電源的要求,同時也簡化了輸入電源的設計。電壓檢測電路可與電流檢測電路分別對電池電壓和充電電流進行調(diào)節(jié)、監(jiān)測。MAX1757的電壓檢測精度為0.8%。電壓檢測和電流檢測結果送入主控制器,主控制器驅(qū)動內(nèi)部高邊MOSFET導通或斷開以達到控制充電電流或限制電池電壓的目的。定時器和溫度檢測器為電池充電提供附加保護,由于充電效率達不到100%,充電時間限定值應留有裕量。對于溫度傳感器應靠近電池安裝，并且溫度傳感器可選擇具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻,+25℃時阻值為10kΩ（Philips、Cornerstone傳感器公司、Fenwall電子公司均可提供適當?shù)漠a(chǎn)品以滿足用戶的需要）。MAX1757以1.2Hz的頻率檢測電池溫度。

圖1　充電器內(nèi)部工作原理圖

3　充電過程曲線圖

MAX1757內(nèi)置充電狀態(tài)控制,圖2是充電過程曲線圖。充電過程分為預充、快充和滿充與頂端截止充電狀態(tài)。

圖2　充電過程曲線圖

3.1 預充狀態(tài)

在安裝好電池后,接通輸入直流電源,當充電器檢測到輸入電壓大于電池電壓時，則將定時器復位,從而進入預充過程, 在此期間充電器以快充電流的1/10給電池充電,使電池電壓、溫度恢復到正常狀態(tài),預充時間由定時器1的外接電容確定, 如果在規(guī)定的充電時間內(nèi)電池電壓達到2.5V以上,電池溫度正常(高于2.5℃、低于50℃),則充電進入快充過程;如果電池電壓低于2.5V,則認為電池不可充電,充電器顯示電池故障。

3.2 快充狀態(tài)

快充過程也稱恒流充電,此時充電器以恒定電流I_CHG對電池充電。根據(jù)電池廠商推薦的充電速率,一般對于鋰離子電池大多選用1C充電速率（表示電池充電的速度，即充電和放電電流通常用電池額定容量C的倍數(shù)表示，叫做充電速率）,充滿電池大約需要1個多小時。恒流充電時,電池電壓將緩慢上升,一旦電池電壓達到所設定的終止電壓(一般為4.1V或4.2V), 恒流充電終止,充電電流快速遞減,充電進入滿充過程。

3.3 滿充與頂端截止充電狀態(tài)

在滿充過程中,充電電流逐漸衰減,直到充電速率降低到C/10(默認設置為電流遞減到330mA)以下或滿充時間超時時,轉(zhuǎn)入頂端截止充電;頂端截止充電時,充電器以極小的充電電流為電池補充能量。由于充電器在檢測電池電壓是否達到終止電壓時有充電電流通過電池內(nèi)阻,盡管在滿充和頂端截止充電過程中充電電流逐漸下降,減小了電池內(nèi)阻和其它串聯(lián)電阻對電池端電壓的影響,但串聯(lián)在充電回路中的電阻形成的壓降仍然對電池終止電壓的檢測有影響,頂端截止充電為最大限度地補充電池能量起到了重要作用。一般情況下,滿充和頂端終止充電可以延長電池5%～10%的使用時間。

4 充電器參數(shù)設置

4.1 電池終止電壓設置

通過外接分壓電阻可設置電池充電終止電壓,分壓電阻精度為1%、電阻值低于100kΩ。電池充電終止電壓與電池的化學特性和電池構造有關,具體參數(shù)由電池廠商提供。VADJ引腳的電壓V_VADJ與電池充電終止電壓(V_BATTR)、電池節(jié)數(shù)(N)、基準電壓(V_REF)之間的關系由下式確定:

V_VADJ=(9.5V_BATTR/N)-(9.0V_REF)

4.2 充電電流設置

快充過程的充電電流由ISETOUT引腳的電壓值(V_IESTOUT)決定,該電壓由連接在REF和GND之間的分壓電阻調(diào)節(jié)。當ISETOUT引腳接REF時,電流為最大值(為1.5A)。I_CHG與V_IESTOUT的關系式如下:

I_CHG=1.5(V_IESTOUT/V_REF)

4.3 輸入限流設置

輸入限流門限I_IN由ISETTIN引腳的電壓確定,根據(jù)下式可確定I_IN的值。

I_CHG=0.1(V_ISETIN/V_REF)/R₁

4.4 選擇電感

電感值與電流紋波的大小有關,選用較大的電感時電流紋波較小,但如果電感的物理尺寸相同時,電感值越大。通常，電感的等效串聯(lián)電阻和額定電流較小,從總體指標考慮,電流紋波一般設置為平均充電電流的30%～50%,假設紋波電流與直流充電電流之比為LIR,則電感值由下式確定:

L=[V_BATT(V_DCIN(MAX)-V_BATT)]/[V_DCIN(MAX)foscI_CHGLIR]

公式中:fosc為充電器內(nèi)部DC-DC變換器的開關頻率,為300kHz。電感額定電流應大于I_CHG[1+LIR/2]。

4.5 充電時間設置

MAX1757內(nèi)含四個定時時間設置功能,即預充、快充、滿充、頂端截止充電時間。在定時器1外接電容可設置預充、滿充和頂端截止充電過程的時間限制，在定時器2上外接電容可設置快充時間限制。當充電速率為1C時,典型充電時間設置為(定時器1與定時器2的外接電容均為1nF):預充時間為7.5分鐘、快充時間為90分鐘、滿充時間為90分鐘、頂端終止充電時間為45分鐘。定時器1與定時器2外接電容與充電時間的關系如圖3、圖4所示。

圖3 定時器1外接電容與充電時間的關系

圖4 定時器2外接電容與充電時間的關系

5 選擇外圍器件注意事項

在選擇MAX1757外圍元器件時，應注意以下幾點：

（1）由于電感的大小與輸入電壓、充電電流等因素有關，所以選擇電感時，應選擇電感磁性材料飽和電流大于2A，并且取值可適當調(diào)整。

（2）靠近充電電池處的電容應分別選用多層陶瓷電容和低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電解電容。

（3）二極管應選用工作電流大于2A的肖特基二極管。

（4）預充、快充、滿充和故障指示燈處的限流電阻，其阻值取決于V_IN。通常情況，可按如下經(jīng)驗公式計算：

R=（V_IN -2）/ 20(kΩ)

6 脈寬調(diào)制控制器

脈寬調(diào)制(PWM)控制器驅(qū)動內(nèi)部高邊場效應管來控制充電電流或電壓。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中^[3]。PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。大多數(shù)負載(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz。^[4]其充電器具體工作過程為當開關在標稱電壓之間循環(huán)時，內(nèi)部鉗位電壓限制非控制信號使其在200mV范圍內(nèi)阻止延時。電流模式下的脈寬調(diào)制控制器測量感應電流來調(diào)整輸出電壓或電流，從而簡化調(diào)整循環(huán)的穩(wěn)定性。并且，各自的補償使其調(diào)整電路更穩(wěn)定，保證了在較寬范圍內(nèi)占空比的穩(wěn)定工作?？刂破黩?qū)動內(nèi)部的N溝道場效應管開關使輸入電壓下降到電池電壓。高邊場效應管的柵極被高于靠近電容的輸入源電壓所驅(qū)動。當LX為低時，這個電容（在VL和LX之間）通過從VL處的二極管被充電。當高邊的開關關閉，并連接LX與PGND來保證電容充電時，內(nèi)部N溝道場效應管即刻啟動。當源電壓接近輸入電壓時，高邊場效應管的柵極由提供充足電壓的BST來驅(qū)動。其工作狀態(tài)的波形如圖5所示。