手機(jī)和PDA中Li+電池的開關(guān)模式、線性和脈沖充電技術(shù)

Li+電池充電有三種方法：開關(guān)模式、線性和脈沖。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。開關(guān)模式充電可在很寬的 AC 適配器電壓范圍內(nèi)最大限度地降低功耗，但與線性和脈沖充電相比，會(huì)占用更多的電路板空間并增加復(fù)雜性。線性充電器體積小，非常適合噪聲敏感設(shè)備，但功耗很高。脈沖充電器體積小且效率高，但需要限流交流適配器。根據(jù)成本、空間和效率的優(yōu)先級(jí)選擇充電方式。

為手機(jī)和PDA中的Li+電池充電是一種平衡行為。一方面，需要大電流來快速替換在傳輸語(yǔ)音或數(shù)據(jù)時(shí)從電池中耗盡的能量。另一方面，充電器需要很小，以適應(yīng)不斷縮小的手機(jī)和通信PDA外形。了解可用的充電器類型以及它們之間的權(quán)衡，設(shè)計(jì)人員可以為特定應(yīng)用選擇合適的充電器。

Li+電池充電器的要求

Li+電池充電器必須限制充電電流和電池的最大電壓。設(shè)計(jì)人員應(yīng)咨詢電池制造商，以確定安全為特定電池充電所需的條件。通常會(huì)添加其他功能以延長(zhǎng)電池壽命或充電器的操作。其中包括降低過放電電池的充電電流、檢測(cè)故障電池、電池電壓監(jiān)控和/或電量計(jì)、輸入電流限制、充電完成后關(guān)閉充電器、局部放電后自動(dòng)重啟充電、充電狀態(tài)指示和外部充電器啟用/禁用控制。

這些功能可以在充電器本身、ASIC或分立電路中實(shí)現(xiàn)，也可以在微控制器中的軟件中實(shí)現(xiàn)。電路設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體應(yīng)用和可容忍的成本或復(fù)雜程度決定要包含哪些功能以及如何實(shí)現(xiàn)這些功能。

Li+充電器的類型

Li+電池充電器有三種類型：開關(guān)模式、線性和脈沖。這些拓?fù)渲g的主要區(qū)別在于它們提供的大小和成本與性能權(quán)衡。

開關(guān)模式充電器往往更大、更復(fù)雜，并且需要較大的無源輸出LC濾波器;額外的電路板空間提高了效率。

線性和脈沖充電器占用電路板空間很小，并且需要最少的外部元件。雖然線性充電器可能不需要太多的電路板空間來容納IC及其外部元件，但它可能需要額外的電路板面積來散發(fā)充電器調(diào)整管產(chǎn)生的熱量。脈沖充電器不會(huì)出現(xiàn)此問題。但是，它們確實(shí)需要限流的AC適配器，這通常更昂貴。

開關(guān)模式充電器

圖1所示為典型開關(guān)模式Li+充電器電路的原理圖。它使用帶有雙通道n溝道MOSFET的MAX1737 Li+電池充電器控制器，將AC適配器電壓降壓至電池電壓。在整個(gè)電池電壓范圍和很寬的交流適配器電壓范圍內(nèi)，該電路的功耗保持在約1W以下。該電路可以輕松擴(kuò)展，允許多達(dá)四個(gè)串聯(lián)電池以高達(dá)4A的電流充電。

圖1.MAX1737開關(guān)模式Li+充電器。

開關(guān)模式充電器在輸入和電池電壓變化很大的情況下具有始終如一的低功耗，與線性充電器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與脈沖充電器相比，開關(guān)模式充電器還具有優(yōu)勢(shì)：它們?cè)诤軐挼妮斎腚妷悍秶鷥?nèi)表現(xiàn)良好，允許使用比使用脈沖充電器更小、更便宜的交流墻上適配器。這種類型的充電器的主要缺點(diǎn)是它的尺寸和復(fù)雜性。該控制器及其外部開關(guān)和LC濾波器比其他類型的充電器消耗更多的電路板空間。其他缺點(diǎn)包括充電器開關(guān)動(dòng)作引起的EMI和電噪聲以及輸出濾波器電感引起的輻射。然而，控制器的固定開關(guān)頻率允許輕松濾除電噪聲，但在電路布局和元件選擇時(shí)必須小心謹(jǐn)慎，以防止出現(xiàn)干擾問題。

圖1所示的充電器電路包括許多其他特性，可延長(zhǎng)電池壽命和系統(tǒng)運(yùn)行。例如，充電器電路的控制器允許對(duì)流入電路的電流進(jìn)行限制。當(dāng)該電流上升到極限時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)減少為電池充電的電流，從而對(duì)流入電路輸入的電流設(shè)置上限。由于充電器限制了輸入電流，因此可以使用更小且通常更便宜的交流墻上適配器為電路供電。

充電器包括一個(gè)狀態(tài)機(jī)，該狀態(tài)機(jī)在充電完成后關(guān)閉充電器，并在電池中的部分電量耗盡時(shí)自動(dòng)重新啟動(dòng)充電。安全功能包括以降低的電流對(duì)過度放電的電池進(jìn)行溫和的預(yù)充電，以及檢測(cè)故障電池的能力。此外，充電和狀態(tài)指示燈可以直接驅(qū)動(dòng)LED或與微控制器通信。

線性充電器

最小化充電器尺寸和復(fù)雜性的一種方法是使用線性充電器。線性充電器使用調(diào)整管（通常是MOSFET，但有時(shí)是雙極晶體管）將AC適配器電壓降至電池電壓。外部元件的數(shù)量要少得多：線性充電器需要輸入和輸出旁路電容器，有時(shí)還需要外部調(diào)整管，以及用于設(shè)置電壓和電流限值的電阻器。

線性充電器的主要缺陷是功耗。充電器只需將交流適配器電壓降至電池電壓即可。調(diào)整元件的功耗等于適配器電壓減去電池電壓乘以充電電流。對(duì)于 1A 充電器、5V±10% 穩(wěn)壓交流適配器電壓以及 4.2V 至 2.5V 之間的電池電壓，功耗范圍為 0.3W 至 3.0W。

圖2所示為典型的線性Li+充電器。本電路使用MAX1898和外部p溝道MOSFET將AC適配器電壓降至電池電壓。這種類型的充電器比開關(guān)模式類型簡(jiǎn)單得多，主要是因?yàn)椴恍枰獰o源LC濾波器。當(dāng)電池電壓處于最小值時(shí)，它消耗的功率最大，因?yàn)樵谶@種情況下，固定輸入電壓和電池電壓之間的差異最大。MAX1898具有一種特性（稱為預(yù)認(rèn)證狀態(tài)），可降低低于2.5V電池電壓時(shí)的充電電流。因此，當(dāng)電池略高于標(biāo)稱2.5V預(yù)認(rèn)證門限且輸入電壓處于最大值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)最差情況的功耗。對(duì)于 5V±10% 輸入，最大輸入電壓為 5.5V?？紤]到容差，MAX1898的最小預(yù)認(rèn)證電壓為2.375V。因此，調(diào)整管的最壞情況下功耗為每安培充電電流3.125W。對(duì)于高充電電流（約1A），高功率耗散可能會(huì)導(dǎo)致小型手機(jī)或PDA過熱，從而降低其性能。不幸的是，降低充電電流以消除功耗問題會(huì)增加充電時(shí)間。根據(jù)應(yīng)用的不同，在額外熱量和額外充電時(shí)間之間進(jìn)行選擇可能很困難。

圖2.MAX1898線性Li+充電器。

即使考慮到與線性充電相關(guān)的功耗問題，它仍然可能是無線設(shè)備的最佳選擇。由于沒有開關(guān)動(dòng)作，也不需要電感器，線性充電器的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射低于其他類型的充電器。這種降低的噪聲可能使線性充電器成為噪聲敏感型無線設(shè)備的合適解決方案。

MAX1898包括：可直接驅(qū)動(dòng)LED或微控制器的充電指示燈、降低過放電電池充電電流的電池欠壓電路、充電完成后關(guān)閉充電器的定時(shí)器，以及可調(diào)重啟門限，可在電池放電時(shí)自動(dòng)恢復(fù)充電。ISET引腳在充電器調(diào)節(jié)電壓時(shí)設(shè)置充電電流并指示其電平。ISET引腳上的電壓可由ADC或比較器監(jiān)控，以確定電池充電電流何時(shí)降至足夠低的水平;此電平或板載定時(shí)器可用于終止充電?？刂破鬟€包括一個(gè)指示充電狀態(tài)的輸出引腳 （/CHG） 和一個(gè)輸入和輸出組合引腳 （EN/OK），用于指示輸入電壓的存在并啟用充電器。

脈沖充電器

第三種類型的Li+充電器，脈沖充電器，具有開關(guān)模式和線性充電器的一些優(yōu)點(diǎn)。與開關(guān)模式充電器一樣，脈沖充電器也能高效運(yùn)行。當(dāng)充電的電池電壓較低時(shí)，其調(diào)整管保持導(dǎo)通，并將輸入源電流直接傳導(dǎo)至電池。當(dāng)電池電壓達(dá)到電池調(diào)節(jié)電壓時(shí)，充電器對(duì)輸入電流進(jìn)行脈沖以達(dá)到所需的充電電流，從而將電池電壓調(diào)節(jié)在所需的電壓限值。因?yàn)榫w管在充電周期的這一部分不在其線性區(qū)域工作，而是像開關(guān)一樣工作，耗散功率遠(yuǎn)低于線性充電器。由于脈沖充電器不需要輸出LC濾波器，因此它比開關(guān)模式充電器小。

圖3所示為MAX1736 Li+脈沖充電器。它在簡(jiǎn)單性和少量外部組件方面可與線性充電器相媲美。由于其功耗較低，因此無需像線性充電器那樣考慮充電時(shí)間和功耗之間的權(quán)衡。

圖3.脈沖模式Li+充電器。

然而，脈沖充電器并非沒有特殊要求。首先，為充電器供電的輸入電壓源必須有電流限制。電流限制需要相當(dāng)準(zhǔn)確;具有這種精度水平的壁立方體并不像沒有精確電流限制的立方體那樣普遍可用。它們也更貴。然而，在某些情況下，交流適配器電流限制的指定足夠準(zhǔn)確，以確保其供電的設(shè)備中的故障不會(huì)造成安全隱患。如果由于這種或其他原因需要精確的輸入電流限制，則在使用它進(jìn)行充電時(shí)不會(huì)產(chǎn)生額外費(fèi)用。

當(dāng)電池電壓低于1736.6V時(shí)，MAX2以5mA的低電流自動(dòng)為電池充電，防止電池在過放電狀態(tài)下?lián)p壞電池。但是，控制器不會(huì)自動(dòng)終止充電。在大多數(shù)情況下，它在充電電流降至某個(gè)閾值以下（通常是充電電流限制的 10%）后終止充電。為了設(shè)置這種充電終止模式，MAX1736的GATE引腳用于直接驅(qū)動(dòng)微控制器的輸入。通過測(cè)量GATE引腳電壓的占空比，微處理器確定平均電流。對(duì)于10%的情況，一旦GATE引腳的占空比降至10%以下，微控制器就會(huì)終止充電。微控制器還可以通過驅(qū)動(dòng)EN引腳來禁用MAX1736。當(dāng)輸入源消失或EN引腳為低電平時(shí)，電池上的漏極減小到2μA，以防止充電器在充電完成后對(duì)電池放電。

結(jié)論

開關(guān)模式充電器在輸入和充電電壓及電流變化很大的情況下功耗很小，但與其他類型充電器相比，成本和復(fù)雜性更高。線性充電器比開關(guān)模式器件更小、更簡(jiǎn)單，但在大多數(shù)情況下，它們消耗的功率更大。脈沖充電器的功耗要小得多，電路板面積也很小，但需要更昂貴的交流適配器來限制從它們汲取的電流。只有在權(quán)衡了這些不同因素中哪一個(gè)對(duì)特定設(shè)計(jì)最重要之后，才會(huì)出現(xiàn)最佳選擇。

審核編輯：郭婷