高集成度、低成本电池充电器工作原理

1 锂电池充电方式概述
以目前在便携式数码产品中最为常见的锂电池为例，锂电池具有较高的能量密度，体积小，重量轻，寿命长，无记忆效应以及不污染环境等诸多优点，因此广泛应用于数码设备中，经济实用，而且灵活方便。
常用的锂电池充电器其核心都是恒流/恒压调节器。一般通过检测充电电池的电压来判断电池是否充满，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，锂电池充电器设计往往需要较高的电压检测精度(精度高于l％)，试图使空载端电压接近容许的最高电压。当电池的电压较低时，典型的充电周期开始时恒流充电方式。当电池电压上升到指定限度时，充电器转换为恒压调节，该方式一直持续到充电电流减小为零，这时电池充电完毕。在恒压充电阶段，电流按指数规律下降，该指数与电池电阻以及和该电池相串联的所有电阻有关(和通过一电阻对电容充电过程很类似)。由于充电电流按指数规律下降，所以完成充电需要相当长的时间。

锂电池充电器根据工作原理不同，可以分为线性调节方式，开关方式以及脉冲方式三种工作方式。

线性调节方式，例如MAXl898，MAX846A等，线性调节方式的充电器的充电电压或电流来自于交流适配器的直流输出，通过控制外部PNP调整管，调节电池的充电电流以及充电电压，如图l所示，具有结构简单，外围元件少等优点，但外部的调整管工作在线性方式下，具有较高的功耗，因此该充电方式的效率较低，发热相对较大，用于小型便携式设备，例如手机、个人数字助理(PDA)等,会造成较大的温升。

开关方式充电器，以MAX745，MAXl757为例，如图2所示。相比线性调节方式，开关方式控制外部MOSFET对源电压进行斩波，然后将斩波后的电压进行滤波，产生所需要的充电电流或电压。MOSFET工作与开关状态，大大减小了调整管的功耗，但开关方式充电器的功耗降低是以增加电路尺寸和复杂度为代价。

而脉冲方式的充电器具有线性充电器和开关模式充电器两者共有的优点。该方式配合限流交流适配器以及外部P沟道MOSFET，构成了一个脉冲方式充电器。以MAXl879为例，如图3所示，此时，当电池电压低于设定的电压值时，充电器打开外部P沟道MOSFET对电池进行充电，充电电流受限于外部电源(即交流适配器)；当电池电压达到设定电压时，MOSFET关断。在这种模式下，外部MOSFET工作在开关方式下，不对充电电流进行调节，因此降低了功耗；同时，由于无需输出滤波器，所以同时具有线性调节方式的结构简单的优点。该控制方式同样存在缺点，即交流适配器需要具备限流功能，因此增加了交流适配器的成本。

2 高集成度、低成本锂电池充电器
2.1 MAX8730的工作原理
MAX8730开关方式充电器集成了“Li+、NiMH和NiCd电池充电所必需的所有功能。利用一个高效率、降压型DC-DC转换器实现精确的恒流、恒压充电器，选择3节或4节电池模式。DC-DC转换器驱动一个P沟道MOSFET，并且外接一个高速肖特基二极管。充电电流和输入检流放大器失调误差较低，因此可采用较小的检流电阻，降低功耗。
MAX8730的典型工作电路如图4所示，该器件内置一个滞回比较器，监测交流适配器的连接状态，并且自动选择适当的电源。当适配器连接时(VASNS>VBATT-100 mV)，关断P沟道MOSFET(P3)，将电池与系统负载断开。适配器断开时(VASNSVBATT-270 mV)，PDS上拉至SRC，关断P沟道MOSFET(P1)，随后，间隔5μs后，拉低PDL，接通电池与系统负载，实现先断后合。当VSRC-VCSIN>100 mV(典型值)，并且模式选择设定在3节或4节电池，ICTL>110 mV，INPON为高电平时，MAX8730启动充电过程。
图5为MAX8730的功能框图，该器件内置一路电压调节环(CCV)和两路电流调节环(CCI和CCS)。三个环路独立工作，MAX8730根据工作情况不同，控制输入电流(CCS控制环)、充电电流(CCI控制环)或充电电压(CCV控制环)。三个控制环——CCS、CCI和CCV内部连接到最低电压箝位(LVC)放大器,LVC输出CCV、CCI或CCS三者中的最小电压,作为DC-DC控制器的反馈控制信号。CCV电压调节环监控电池电压，通过监测电池电压来判定电池是否满充;而CCI电池电流调节环监控流入电池的电流,确保充电电流不超过设定的限流值。当电池电压低于设定值时，充电电流调节环起作用。而当电池电压达到其设定值时，电压调节环起作用，将电池电压维持在设定值处。另一个电流调节环(CCS)控制充电电流，当适配器电流超过设定的输入限流值时，通过降低充电电流优先为系统负载供电，从而降低了对适配器的要求。

将MODE接至GND，可以设置MAX8730进入重新学习模式，用于校准电池电量。重新学习过程中，充电器将电池与充电器断开，并通过系统负载放电。当电池达到100％的放电深度时，再启动对电池的重新充电。
2.2 充电器参数设置
表1给出了MAX8730的模式选择。通过VCTL外接的分压电阻，可以设置充电终止电压。电池充电终止电压与电流的化学特性和电池构造有关，具体参数由电池厂商提供。充电终止电压(VBATT)与电池节数(CELLS)以及VCTL上电压VVCTL的关系由下式
确定：

VCTL接LDO时，缺省设置电池的充电终止电压为4.2 V/节，充电终止电压的精度为O.7％。
ICTL设置允许流经检流电阻RS2的最大充电电流。CSIP和CSIN之间的满量程差分电压值为135 mV(RS2=30 mΩ时，电流为4.5 A)。根据下列公式设置ICTL：

ICTL的满量程输入范围为0至3.6 V。欲关断充电器，可将ICTL拉低至65 mV以下。
CLS可以设置MAX8730输入限流值,设定流过CSSP和CSSN(即检流电阻RSl)的最大电流值。当输入电流超过限流值时，MAX8730可以降低充电电流，优先为系统负载供电，从而降低对适配器的要求。总的输入电流等于负载电流加上充电器的输入
电流，可由下列公式表示：

其中η为DC-DC转换器的效率(典型值为85％至95％)。
CSSP和CSSN之间的满量程差分电压为75mV，可以根据以下公式，设定CLS的值：

VCLS=ILIMITxRSl×(VREF/75 mV)
CLS的输入范围为1.1 V至VREF。

3 稳定性讨论
MAX8730的充电电压调节环、充电电流调节环和输入电流调节环分别在CCV、CCI和CCS引脚处进行补偿。
如图4所示，电压调节环路的补偿需要引入一对零点-极点对，因此补偿网络由CCV和RCV构成。在低频时，极点为电压环响应提供必要的滚降。零点用于补偿输出电容和负载所引入的极点。由于输出电容的阻抗对充电电流环路以及输入电流环路响应的影响极小，因此仅需要引入单个极点对两个电流环路进行补偿。CCV、CCI和CCS环路补偿的详细计算方法参见MAX8730数据资料，图4给出了补偿电容和电阻的推荐值。