适用于全球交流电源的单节锂离子电池充电器设计

本文介绍了一个单节锂离子(Li+)电池的充电方案，该方案基于MAX5022芯片，适用于全球的交流电源，而且无需软件控制或微处理器干预就能实现所有的充电功能。
一次性电池不能够充电，完全放电后的电池即为报废电池。二次电池可以多次充电，但不同的化学特性对充电的要求也不同，特别是“快充”控制。目前，最常用的可充电电池是Li+、镍氢(NiMH)、镍镉(Nicd)和铅酸电池，其它类型的电池还很多，但没有大规模投入使用。因为本文仅讨论利用交流适配器供电的充电器设计，没有考虑汽车电源供电的SLI铅酸电池或更大容量电池的充电器。
不同化学类型的电池对充电器的要求
通常快速充电比涓流充电更受欢迎，但快速充电对电路的要求也复杂，镍氢或镍镉电池的快速充电技术与其它电池也是不同的。镍镉和镍氢电池通常在恒流状态下快充，而不是恒压状态下。快充终止检测基于电压和温度的变化率，充电器还应具备过压保护和过热保护功能。Li+和铅酸电池充电器必须保证作用到电池上的电压和电流最大值在规定的范围内，当电池电压维持在最大单节电池电压，充电电流下降到一个较低值时，充电器终止充电。Li+和铅酸电池充电器的区别在于所允许的充电电流、最大电池电压，另外铅酸电池充电器一般具有浮充能力(浮充是为了补充铅酸电池的自放电，而对一个已经完全充满的电池继续输入充电电流的技术)，Li+电池的自放电非常低，所以不需要浮充。
Li+电池
为便携式产品选择电池时，最重要的是高能量密度、尺寸、重量和价格。迄今为止， Li+电池在最为流行的电池中能够提供最高的体积和能量密度，但其每瓦时的成本也较高。铅酸电池的每瓦时成本最低，但比较笨重。本文以Li+电池为例讨论充电器的设计，它在便携式产品中已经被普遍使用。我们选择780mA的充电电流和4.2V的终止电压。

图1：通用输入交流电压的离线式Li+电池充电器。
图1所示充电器无需微处理器干预，输入电源可以采用全球范围的任何交流电源，省去了大体积60Hz变压器，而且可提供单节Li+电池所要求的精确的充电电压和电流。充电器IC(U4)集成了全面的保护功能(电压、电流和自保护)，确保Li+电池的安全充电。
假设Li+电池带有过流、过压和过热保护，这些保护特性在电池包里是必需的，因为充电期间一旦电路出现故障，Li+电池将存在很大的危险性，过流、过压或温度过高都有可能造成Li+电池爆炸。
电路描述
图1包括两颗主器件(U1和U4)、精密基准(U3)和光耦(U2)。U1是离线式开关控制器，配合隔离变压器、光耦和基准产生隔离的稳压直流输出。直流电压供给电池充电器(U4)，U4提供电流限制、电压调节、电池充电和充电指示等功能。本方案中，U4是一款简单的线性充电器，内置调整管，结合其热控制环路提供快速充电。
MAX5022的特性
U1(MAX5022)在宽输入范围的应用中很容易设计，本文所提供的方案要求能够满足全球各地的交流电源规格，这里假设通用的输入电源电压范围为85V AC至265V AC。MAX5022的输入范围指标以及评估板电路的输入范围恰好满足这一需求。对于图1所示充电器的电源端MAX5022评估板不需要作任何修改，隔离端只需对评估板的电阻值稍作修改。
对于更大功率的应用，只需选取功率较大的开关管和能够处理更大功率的变压器即可。图1所示电路要求充电电流为780mA，最大电池电压为4.2V。对充电电源的要求与MAX5022评估板所提供的输出相吻合：5V@1A，因此，不需要更换评估板的晶体管和变压器。U4采用SOT23封装，所以，充电器的尺寸在很大程度上取决于应用对充电电源的需求。变压器是电路中尺寸最大的元件，由于开关控制器的工作频率大于250kHz，允许系统选用小尺寸的变压器。
上电时，在开关控制器工作之前，U1调节器直接通过泄漏电阻R1、R2从整流通路吸取少量的电流，两个电阻阻值保证每个电阻上的压降不会超出每个电阻的容限，Vin引脚电压不会超出其28V额定值(30V为绝对最大值)，U1在输入电压达到24V时开始开关操作，并吸取更大的电流(高于R1、R2所能提供的电流)，在变压器副边线圈能够提供足够的能量之前，额外的电流由Vin引脚的旁路电容供给。这种处理方式能够适合较宽的输入电压范围，对效率的影响也很小，这是因为在启动过程中只需极小的供电电流(典型值为50uA)。
为了防止U1的Vin引脚出现过压，可以在Vin与地之间接一个26V至30V的齐纳管，电压值需要高于欠压锁存电压的最大值，低于该引脚所允许的最大绝对电压。如果器件没有启动正常的开关操作，则可认为电路发生了某些问题，所以，这一保护措施对于U1来说并不是必需的。
U1是一款电流模式PWM控制器，具有逐周期限流电路，必要时其占空比可以提高到75%，非常适合图1所示的反激拓扑。原边开关电流检测采用尺寸为1206的1.78Ω电阻(R7)，该电阻限制了变压器原边的最大电流。固定开关频率和最大占空比限制使得最大限流具有输出短路保护功能。
一旦短路输出造成电路达到了上述限制条件，第三组线圈将无法提供10V以上的电压(UVLO的低电压门限)，U1将再次进入启动状态，停止开关操作。短路故障解除后系统会自动恢复正常的工作状态。
电压调节
变压器副边的电压经过整流、滤波，然后由R4、R5分压在并联型稳压器U3的调节点产生1.24V(对应于4.5V输出)的反馈电压。为保证电池充电器正常工作，4.5V是最低电压(包括容差)。因为充电器采用的是线性结构，充电效率与输入、输出电压的差值成反比，用最低电压为充电器供电有助于降低功率损耗。
当调节点电压高于1.24V时，并联型稳压器将吸入电流，导通光耦LED，原边的光敏晶体管将处于发光状态。U1的OPTO输入引脚用于直接连接光敏晶体管，以极其简单的方式构成闭合环路。光敏晶体管导通时，OPTO引脚被拉低，内部比较器在它的一个输入端检测到较低的电压，比较器的另一输入电流检测引脚(CS)的峰值电压，OPTO引脚的低电压将在每个周期直接限制功率MOSFET N1的峰值电流。由于U1是一个PWM控制器，电流限制使得电压调节受作用在N1上的占空比(导通时间与断开时间的比值)的影响，环路稳定性通过调节R11和C12来保证。R10和C5(连接在U3的第3和第4引脚)可消除稳定工作情况下的噪声干扰。
U4的工作特点
U4是一款用于单节Li+电池充电、功能完备的充电器，采用线性充电模式，内置调整管和电流检测电路。另外，它还集成了一个反向抑制二极管，在去掉输入电源时可防止电池方向放电。接入一个深度放电的电池时，U4能够检测到低电池电压(低于2.5V)，这样，U4将首先启动涓流充电过程，在快充周期的1/10时间段对电池进行涓流充电，直到电池电压上升到2.5V以上。在涓流充电到快速充电转换时，软启动电路迫使充电电流在3ms时间内缓慢上升，避免较大的浪涌电流拉低输入电源。
上述功能的实施不需要微控制器的监管，而且，U4还具有可编程的温度限制功能，我们会在下面就这一点进行详细讨论。用一个电阻设置最大充电电流，电阻两端的电压与充电电流成正比，通过监视该电压即可连续跟踪充电电流，更为复杂的系统也可以采用ADC跟踪监视充电电流。
Maxim还提供有另一款与MAX1507非常相似的充电器—MAX1555，这款IC能够在没有交流电源的情况下从USB主机获得充电电源。
电流调节
如果把Li+电池直接与一个低阻电压源连接，充电电流将不受任何限制，这种状况会对电池及其周围环境造成灾难性的损害，从Li+电池的安全性考虑，必须将其充电电流限制在额定范围以内。U4根据连接在ISET(第5引脚)的电阻限制充电电流，图1电路中选用了一个1.87kΩ的电阻，将最大电流设置在780mA:
Ifast=1461V/Rset=1461/1870≈780mA
电池电压最小时，由于输入稳定在4.5V，U4输入与输出的压差最大，如果此时电池是以最大电流充电，U4功耗将达到最大值。例如，假设电池电压为2.5V，则对应的功耗为：
P=IV=(0.78A)×(4.5V-2.5V)=1.56W

U4封装(8引脚薄型DFN-EP，EP表示裸露焊盘)在温度高达70℃时可以耗散的最大功率是1.951W，这样，在整个电池电压范围内以780mA的电流充电应该没有任何问题。但是，如果IC管芯由于较高的环境温度或不良的散热条件达到了70℃，U4内部的热调节环路将自动降低充电电流，这一过程有别于其它充电IC中的“热关断”，“热关断”方式只是简单地中止芯片中的所有电路工作，直到晶片温度降至规定的数值。MAX1507所采用的方案能够保证在芯片温度不超出最大限制范围的条件下提供最快的充电速率，随着电池电压的升高，充电电流在保持最高温度的前提下逐渐升高，直到达到最大充电电流。在此之后，充电器在满足芯片温度限制的条件下将以最大充电电流对电池充电，直到电池电压达到内部设置的4.2V±1%。电池电压达到门限值后，U4将输出电压保持在4.2V，从而使充电电流开始下降。充电电流降低到快充电流的10%时，充电指示灯关闭，表示充电周期结束。
如果充电过程中输出负载增大，例如，用户在电池充电时启动了其它电路，U4允许返回到限流模式。
测试结果
图1电路输入为110V交流电源，输出为4.14V、740mA负载，效率可达到46%。当负载电流增大使电池电压降至2.7V时，电路将输出电流限制在802mA，比设置的780mA限流门限提高不到3%，在规定的参数指标以内。MAX1507允许±8%的变化。当电池电压拉至2.5V时，输出电流降至76.1mA，在78mA(780mA的1/10)的3%以内。U4数据手册中规定允许±5%的范围。输出短路时电路还允许返回到该模式。
空载时，输出稳定在4.2V左右，形成一个三角波，在U4输出接一个负载电阻可以消除这个偏差，保持其连续性，但会降低系统效率，但对于交流电供电系统来说，效率并不重要。
本文小结
利用电流模式PWM控制器(U1)构成隔离电源，结合Li+电池充电IC(U4)和其它元件可以构成一个由通用的交流电源供电的Li+电池充电器。该方案不需要任何额外的控制电路(如微控制器的干预)，也不需要软件开发。硬件开发只需对Maxim提供的标准评估板稍作修改即可，具有成本低、开发周期短等优势。
由于系统没有60Hz的隔离变压器，具有尺寸小、轻便等特点，可用于手机或其它手持设备的充电。所有热量均集中在交流适配器内，与内置充电器的手持设备相比，不需要过多考虑散热问题。
作者注：调试本文介绍的电路时需要特别小心，因为这个电路的原边连接的是交流电源，并且整流在很高的直流电压，因此存在潜在的致命危险。任何调试本电路的人员必须严格遵守 MAX5022评估板规格书中关于防范的讨论，这份规格书可以申请或者从 Maxim的网站上得到。
作者：John Mossman

Maxim集成产品公司