便攜式設備需要高性能電池充電器

近年來便攜式設備的激增突顯了對小型高效電池和電池充電器的需求。電池技術(shù)取得了巨大進步，鋰離子（Li+）和鋰聚合物現(xiàn)在已成為更受歡迎的電池化學成分。為了從這種電池中獲得最大性能，設計人員一直專注于電池充電器。反過來，充電器與電池技術(shù)保持同步，能夠充分利用電池容量。

對于尺寸、重量和電池壽命至關(guān)重要的筆記本電腦，標準電池是Li+型。Li+化學的最新分支使用聚合物，可以將電池模制成復雜的形狀。鋰聚合物電池在手機、掌上電腦和其他小型應用中也很受歡迎。由于Li+和鋰聚合物化學成分相似，因此它們的充電方法幾乎相同。方法的區(qū)別主要在于其終止電壓和充電電流。

傳統(tǒng)充電方式

傳統(tǒng)的鋰離子電池充電方法是施加恒流恒壓。當電池電壓較低時，在典型的完全充電周期開始時施加恒定電流。當電池電壓上升到指定限值時，充電器切換到恒定電壓并繼續(xù)在該模式下，直到充電電流降至接近零。此時，電池已充滿電。在恒壓階段，由于電池電阻和與電池串聯(lián)的任何電阻之和，電流呈指數(shù)下降（很像通過電阻器為電容器充電）。由于電流呈指數(shù)級下降，因此完全充滿電需要很長時間。

在這種方法中，充電電流的極限不必像充電電壓的極限那樣精確。然而，電壓限制至關(guān)重要：更高的電壓使電池能夠存儲更多的能量，但過高的電壓會損壞電池。因此，典型的Li+充電器施加電壓限制，精度優(yōu)于1%。

即使在恒定的高電流（高于1C，其中C是以安培小時為單位的電池容量）下充電時，與整體充電時間相比，恒流充電時間也很短。恒壓模式主要由電池的物理特性決定，占用大部分充電時間。因此，增加充電電流對總充電時間影響不大。

線性充電

Li+電池充電的一種方法是使用線性充電器（圖1），其中充電電壓或電流的來源通常是交流適配器（壁立方體）的直流輸出。控制器MAX846A （IC1）驅(qū)動外部pnp晶體管產(chǎn)生充電電壓和電流。該電路中的PIC控制器（IC2）通過其PWM輸出控制充電電壓和電流。通過改變充電電壓和電流，該控制器可以適應不同的電池類型和化學成分。?

圖1.開關(guān)模式充電器MAX846A （IC1）和微控制器（IC2）構(gòu)成一個獨立于化學化學成分的電池充電器。

在許多系統(tǒng)中，現(xiàn)有控制器上的額外PWM輸出可以對充電器進行編程。如果充電器專用于單個電池類型，則可以通過使用外部電阻器設置充電電壓和電流來進一步簡化。Maxim的其他線性充電器包括MAX1501獨立式多化學充電器和MAX8856 Li+電池充電器。

線性充電器相對較小且簡單，但其功耗是一個缺點。請考慮以下事項。典型的Li+電池的電壓范圍為2.7V至4.2V。為確保有足夠的輸入電壓將電池充電至4.2V，源電壓必須超過4.5V。因此，具有10%輸出電壓容差的典型廉價交流壁立方體的輸出范圍必須為4.5V至5.5V。pnp 調(diào)整管的最大耗散發(fā)生在最大輸入電壓和最小電池電壓下。因此，對于典型的1A±10%充電電流，充電器的功耗可能超過3W。

如果這個3W耗散在手機或PDA等小型便攜式設備中，則產(chǎn)生的溫升可能會相當大。它會影響設備電子設備，并且最終用戶可能不希望這樣做。雖然使用外部電池充電器或擴展塢座可以降低器件功耗，但這些選項可能不適用于所有設計。在這些情況下，開關(guān)模式充電器將是更合適的選擇。

開關(guān)模式充電

圖2.開關(guān)模式充電器MAX1640在較寬的源電壓、電池電壓和充電電流范圍內(nèi)具有高效率

圖1640中的MAX2使用兩個外部n溝道MOSFET對源極電壓進行斬波，然后濾波以產(chǎn)生所需的電池充電電流或電壓。這些 MOSFET 調(diào)整元件充當開關(guān)。它們要么導通，以很小的壓降傳遞電流，要么關(guān)閉，在沒有電流的情況下降低電壓。這一動作大大降低了調(diào)整管的功耗（與線性充電器相比）;功率耗散對源電壓、電池電壓和充電電流變化的影響很小。

圖2中的電路在90.1A充電電流下效率達到>5%，在寬源電壓、電池電壓和充電電流范圍內(nèi)功耗更低。有關(guān)充電效率的更多信息，請參見MAX1640數(shù)據(jù)資料。開關(guān)模式充電器在更大尺寸和復雜性的權(quán)衡下將功耗降至最低。

恒流脈沖充電

Li+電池充電的新方法是恒流脈沖充電，它結(jié)合了線性充電器和開關(guān)模式充電器的優(yōu)點。恒流脈沖充電通過采用限流壁立方體來限制充電電流。壁立方體電流切換到電池進行恒流充電。當電池電壓上升到電壓限值時，電流源被打開和關(guān)閉，從而在不超過電池電壓的情況下為電池提供所需的平均電流。

恒流脈沖充電電路的功耗很低，因為開關(guān)要么打開要么關(guān)閉。這類似于開關(guān)模式充電器。然而，電路很簡單（線性充電器也是如此），因為不需要輸出濾波器。它可以在限流模式下消耗更多功率（取決于所使用的壁立方體），但如果不超過最大安全溫度，則對電池或其負載幾乎沒有影響。

限流壁式立方體充電器電路中的p溝道MOSFET（圖3）將壁式立方體電流切換至電池。由于MAX1879采用小型μMAX封裝，外部MOSFET封裝可以小至SOT23，因此該電路比開關(guān)充電器電路更小、更簡單。一個完整的充電器除了外部 MOSFET 外，只需要三個電容器。（LED、肖特基和熱敏電阻都是可選組件。?

圖3.Li+充電器MAX1879具有低功耗，但與相同應用中的典型線性充電器相比，需要的空間更小

結(jié)論

隨著便攜式設備的縮小和變得更加復雜，電池充電電路對于充分利用電池變得越來越重要。通過降低充電過程中的功耗，進而最大限度地減少影響電池的熱量，您可以提高設備的整體性能并減輕電池壓力。雖然傳統(tǒng)的線性和開關(guān)模式Li+充電器仍有一席之地，但限流脈沖充電器優(yōu)化了便攜式設備的尺寸和性能。

審核編輯：郭婷