为便携式产品提供高性能的电池充电器

    笔记本电脑等便携式产品对电池的体积、重量及电池的寿命都有严格的要求，其电池标准配置是Li+电池。最近，锂聚合物电池也成为其发展方向之一，这类电池可以根据需要做成各种不同的复杂形状，可广泛应用于手机，手持PC以及各种小型手持产品中。由于锂聚合物电池与Li+电池的化学特性相似，因此，它们的充电方式几乎相同，主要差别仅在于终止充电电压及充电电流不一样。

    对Li+电池，传统的充电方法是采用恒流，恒压充电法。恒流充电法应用于电池充电初始阶段，此时电池电压较低。当电池电压逐渐升高到达预定的限制电平时，充电器则由恒流方式转为恒压充电方式，直到充电电流减小至接近于零时才终止充电过程，保证电池被完全充满电。在恒压充电过程中，充电电流由于电池内阻及串联寄生电阻作用，以指数函数曲线逐渐减小，类似于通过电阻对电容器充电过程。由于是以指数函数方式下降，因此一个完全的满充电过程需要很长时间才能完成。由于电池充电过程中具有电压限制保护，因此恒流充电并不需要精确的充电电流，反而对限制电压的精度要求很高，高于1%的精度，这是因为：电池电压越高，其储存的能量越多，过高的电压将导致电池损坏。电池即使在恒流充电时以很大的电流充电（大于1C，C是电池容量，以安-时数表示），对缩短电池充电时间改善也不大，这是因为，受电池物理，化学特性限制，恒压充电过程占电池充电过程绝大部分时间，而恒流过程仅占小部分。

    采用线性充电器是Li+电池充电方式之一，如图1所示，输入电源通常采用直流电源或交流适配器，利用IC1驱动外部PNP管产生充电所需要的电压和电流。而电路中的PIC单片机则通过其PWM输出不同，实现对充电电压和电流的控制。通过编程控制可产生各种不同的输出电压和电流，因此该电路可实现对各种不同化学特性的电池充电。在许多系统中，利用系统已有的微控制器PWM输出端可实现对充电器的程控。如果充电器专为某一种电池而设计，通过改变外部电阻控制充电电压和电流，充电电路可进一步得到简化。

    虽然线性充电器电路简便，体积也不大，但其功率消耗较大。考虑到单节Li+电池的电压范围为：2.7V~4.2V，为了保证4.2V时对电池充电，输入直流源的电压必须大于4.5V，因此采用具有10%容余度的、廉价的交流适配器时，其输出电压范围应该在4.5V~5.5V之间。充电器PNP管消耗最大功率的情况出现在：输入电压最高（5.5V）且电池电压最低(2.7V)时。考虑典型的充电电流：1A(10%，则PNP管消耗的最大功率为：(5.5-2.7)X1.1>3W。3W的功耗在手机、PDA等手持终端内部引起的温升效应相当可观，有可能造成系统不能正常工作。

    当必须采用内置充电结构时，只有采用开关模式充电器解决效率问题（见图2），图中的IC利用外部两只功率MOSFET管对源电压进行斩波，然后通过滤波电路处理得到电池充电所需要的电流和电压。这些MOSFET管的作用就如同开关一样，要么导通，要么断开。导通时，充电电流在MOSFET上产生的压差很小；断开时，MOSFET承受大的压差但电流为零，因此功率器件上消耗的功耗很小：P=VxI，且受输入电压，充电电压，电流变化影响不大。利用图2电路，可以在很宽的输入电压、 充电电压、充电电流范围内获得很高的转换效率（>90%），其代价是电路比较复杂，体积较大，成本较高。

    图3是一种新的恒流脉冲电池充电方法，它结合了直流和开关充电方式的优点，利用外部限流型交流适配器限制充电电流。该交流适配器被切换到电池，进行恒流充电。当电池电压上升到限制电压时，该电流源以脉冲方式接通到电池，其平均电流就是电池所需充电电流，电池电压不会过压。该方式产生的功耗很低，因为工作原理类似于开关电源，要么接通，要么断开，而且电路简单，如同线性充电器，无须输出滤波电路。虽然外部交流适配器有可能消耗较大功率（与外部适配器工作方式有关），但如果不超出容许的最高安全温度范围，它不会对电池和便携式设备带来任何不利影响。

    图3中的PMOS管实现对限流源与电池的通断，由于电路中的充电器芯片采用了微型的uMAX封装，而外部PMOS管采用SOT-23封装，因此该电路比图2电路简单，体积小。除了MAX1679和PMOS外，仅需两个电容和一个电阻即可构成一个完整的Li+电池充电器。（可调电阻，LED，肖特基二极管及热敏电阻均为可选择器件）。MAX1679还具有一定的电池保护功能，如果对过放电电池（低于2.5V）快速充电，将缩短电池寿命。MAX1679在进行充电之前检测电池电压，根据需要，利用内部5mA的电流源对电池进行预充电，把电池电压提升到2.5V，然后再启动快速充电过程。MAX1679另一功能是通过外部连接的热敏电阻对温度检测。对于Li+电池，如果充电时温度超过0~50(C范围，将影响电池寿命。一旦MAX1679检测到电池温度超出容许范围，则终止电池充电，直到电池温度恢复到正常范围时才开始充电。为了指示充电过程，MAX1679还包括一充电过程监测输出端，利用它驱动外部LED，反映充电过程。

    随着便携式产品体积越来越小，电路越来越复杂，对电池充电器提出了更严格的要求，充电器是保证最大限度利用电池容量的关键。通过把功率消耗转移到便携式设备外部、远离电池，可改善便携产品的性能，减小电池压力。虽然传统的线性和开关充电方式仍然具有一定市场，但限流型脉冲式充电器减小了便携式产品体积，改善了其性能，因而具有更广阔的应用范围。