新颖IC降低锂电池充电器成本

    摘要：MAX1679/MAX1736采用新颖充电终止控制方案放宽了对电源的要求、使用很少的外部元件，可以使锂电池充电器总体成本下降。这种方案要求的限流电压源可以简单地利用常见的交流电源适配器电路实现。

    关键词：充电器  锂离子可充电电池

一、概述

    MAX1679和MAX1736改进了锂离子电池充电的完成判定方法，使其对充电电流的调整特性要求大为降低。传统锂电池充电器方案中采用电流渐变方法，使充电电流在锂电池接近充分充电时逐渐下降，以减少充电电流在电池内阻、保护器和引线上形成的电压差，提高电池端电压监测的准确性。这种电流渐变并不是由电池的电化学特性要求的，如果有其他方法确保判断电池已充分充电，就可大大放宽对充电电源的要求。

    锂电池充电特性可按预充、正常充电和保持三个阶段描述；充电要求均为充电电流不能超过由具体电池规格决定的上限值。三个充电阶段由电池的空载端电压和电池的内部温度决定。与其他二次电池一样、锂电池也具有较长的电化学响应时间，在短于其响应时间的期间内施加较大的充电电流、或过度充电而导致瞬时过压时不会对电池造成影响。

    电池的空载端电压同时用来判断电池是否满充和电池是否安全。由于锂电池的大量储能是在端电压接近其最高允许电压时的充电期间建立的，锂电池充电器设计均试图使空载端电压接近容许的最高电压。同时，由于锂电池的容量较大、过压/欠压时的电化学特性不可逆转，通常要求充电器具有完整、独立的安全保障机制。

二、新颖的锂电池充电控制器

    参考图1所示的应用简图，MAX1679/MAX1736需要配合具有电流限制能力的电源以完成其充电功能。

    MAX1679/MAX1736在电池电压接近充满时，间歇地关断充电电流并在关断期间检测电池端电压来判定电池是否充满、是否需要终止正常充电而进入保持状态。MAX846A和BQ2057这类充电控制器在电池接近充满时，则利用其外置的调整管将输出电流逐渐降低，但仍在有充电电流的情况下检测电池端电压。MAX1679/MAX1736利用关断后检测的方法改善了电流渐变调整方法，主要表现为以下四个方面：

    1. 从系统稳定的角度看，电流渐变型对电池、负载和电源的要求较高

    从图2可以看到，等效负载电容在电压稳定环路和在电流稳定环路中起着不同的作用。其一、等效负载电容分别以正比和反比影响电流和电压误差的取样，设计时必须综合考虑双环路的要求。其二、电流调制使得不能利用负载端的电容吸收纹波，要求电流调制前的电源必须有较好的稳压特性和较大的滤波电容；这在MAX1679/MAX1736组成的充电电路中是不需要的。电流渐变型控制器通常要求电流环路和电压环路的环路响应时间不同、并且以电流环路较快，在响应电源或负载快速变化时的行为更象是恒流源，在源端和电池端对系统有较高的要求。

    2. 电流渐变型调整管散热问题

    电流渐变型充电控制器检测到一个适当的电压、标志已进入可正常充电的状态，正常充电时通过调整管输出恒流对电池充电，调整管将产生压降，耗散与之相关的功率。MAX1679/MAX1736组成的充电电路仅在电池电压低于2.5V时调整输出电流，进入正常充电后、限流电源与电池直通，不存在调整管发热问题。

    3. 串联电阻影响充电速度和终止判断

    电流渐变型充电控制器在端电压接近设定的极限电压时，充电电流逐渐下降，串联在充电回路中的电阻形成的压降使电流下降提前，端电压上升的渐进过程显著变慢。这些控制器以电压达到规定最大值、电流下降到预置充电电流的1/10为准则以判断充电是否完成（如BQ2057和LTC1731）。充电电流流经串联电阻形成的压降会影响实际的电池端电压。MAX1679/MAX1736在电池端电压达到规定值时将充电回路断开。充电回路断开后串联电阻形成的压降同时消失，此时MAX1679/MAX1736检测到的电压为实际的电池端电压，并以此电压决定是否将充电回路接通，继续给电池充电。MAX1679/MAX1736以多大的占空比维持充电取决于切断充电电流后检测到的电池端电压和端电压的回落速度，与充电回路串联电阻无关。如果在接通一个固定时间后，端电压在长时间内仍不能回落到规定端电压以下，MAX1679将判定为充电完成（MAX1736无此功能）。依靠这种控制，MAX1679/MAX1736在充电结束时可以使电池达到更接近极限的容量。

三、限流型电源适配器

    配合MAX1679/MAX1736使用的限流型电源适配器可参考以下方案：

    1、反激PSPFM（脉冲间歇型频率调制）和PWM限流电源

    小功率开关型AC/DC适配器通常采用简洁的反激拓扑结构。调整方案则采用PSPFM或PWM调制，PSPFM或PWM反激适配器的内在结构使其在负载增强时自动进入限功率或限流输出。

    利用图3中的反激变换电路简化模型(a)、电流不间断时的简化波形(b)和存在电流间断时的简化波形?可以推导出PSPFM或PWM各项参数关系。为简化起见，可以认为(a)中的变压器为带有初级并联电感L的紧耦合理想1:1变压器。此时当开关断开初级组的电流iml时、该电流完全转移到次级组输出，并且im2=im1=im。

    PSPFM调制的电源（如Tinyswitch）以非反馈方式驱动电压为Vo的电池负载时，电路以固定的周期T工作；每个周期内，初级电流达到确定的峰值im时开关反转。PWM调制的电源（如TL494、UC384x）除im可由外部设定外，与PSPWM电源一致。可以导出在波形（b）状态下馈送到负载的平均电流Iav=im -TVoVi2/2L(Vo+Vi)2，该式说明反激拓扑电源在具有固定反转电流和固定周期时具有确定的限流特性。

    工程应用必须考虑平均电流的可确定性，即元件参数的离散不应导致充电速度的较大变化。从平均电流的关系式可得出增大初级并联电感和采用较大的Vo-Vi比值（即采用较小匝比）可改善参数离散的传递。MAX1679/MAX1736允许较高的输入电压，结合反激变换器初级平均电流与输出电压的良好相关性，允许在初级边对输出电压进行粗略控制。

    图4是利用上述方法和TinySwitch实现限压/限流适配器电路的示意图。图5是利用修改电压型适配器的次级反馈电路实现限压限流的电路。

    2、利用工频变压器负载调制特性或利用工频电荷泵

    由于仅要求在输出电压在2.5V～4.2V之间时具有限流特性（超出此电压范围后由MAX1679/MAX1736内部提供预充或涓流电源），可以利用工频变压器的耦合-负载调制特性或利用工频电荷泵实现限流电源。受变压器重量、绕组介电特性和元件参数的限制，这两种方法均不适合提供大于200mA以上的充电电流和适应较大的输入电压范围。