一次性電池不能夠充電，完全放電后的電池即為報廢電池。二次電池可以多次充電，但不同的化學特性對充電的要求也不同，特別是“快充”控制。目前，最常用的可充電電池是Li+、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(Nicd)和鉛酸電池，其它類型的電池還很多，但沒有大規模投入使用。因為本文僅討論利用交流適配器供電的充電器設計，沒有考慮汽車電源供電的SLI鉛酸電池或更大容量電池的充電器。

不同化學類型的電池對充電器的要求  

通常快速充電比涓流充電更受歡迎，但快速充電對電路的要求也復雜，鎳氫或鎳鎘電池的快速充電技術與其它電池也是不同的。鎳鎘和鎳氫電池通常在恒流狀態下快充，而不是恒壓狀態下。快充終止檢測基于電壓和溫度的變化率，充電器還應具備過壓保護和過熱保護功能。Li+和鉛酸電池充電器必須保證作用到電池上的電壓和電流最大值在規定的范圍內，當電池電壓維持在最大單節電池電壓，充電電流下降到一個較低值時，充電器終止充電。Li+和鉛酸電池充電器的區別在于所允許的充電電流、最大電池電壓，另外鉛酸電池充電器一般具有浮充能力(浮充是為了補充鉛酸電池的自放電，而對一個已經完全充滿的電池繼續輸入充電電流的(de)技術)，Li+電池的(de)自放電非常低，所以不需要浮充。

Li+電池

為(wei)便(bian)攜式產品選(xuan)擇電(dian)(dian)(dian)池時，最重(zhong)要的(de)(de)(de)是高能(neng)量密度、尺寸(cun)、重(zhong)量和價格。迄(qi)今為(wei)止(zhi)，Li+電(dian)(dian)(dian)池在最為(wei)流行的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池中能(neng)夠提供(gong)最高的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)和能(neng)量密度，但其(qi)每瓦時的(de)(de)(de)成(cheng)本(ben)也較高。鉛酸(suan)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)每瓦時成(cheng)本(ben)最低，但比較笨(ben)重(zhong)。本(ben)文(wen)以Li+電(dian)(dian)(dian)池為(wei)例討論充電(dian)(dian)(dian)器的(de)(de)(de)設計(ji)，它(ta)在便(bian)攜式產品中已經被普遍使用。我們選(xuan)擇780mA的(de)(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流和4.2V的(de)(de)(de)終止(zhi)電(dian)(dian)(dian)壓。

充電器無需微處理器干預，輸入電源可以采用全球范圍的任何交流電源，省去了大體積60Hz變壓器，而且可提供單節Li+電池所要求的精確的充電電壓和電流。充電器IC(U4)集成了全面的(de)保(bao)護(hu)功能(neng)(電(dian)壓、電(dian)流和自保(bao)護(hu))，確保(bao)Li+電(dian)池的(de)安全充電(dian)。

假設(she)Li+電(dian)(dian)(dian)池帶有過(guo)流、過(guo)壓和過(guo)熱(re)保(bao)護，這些保(bao)護特(te)性在電(dian)(dian)(dian)池包里是必需的(de)，因(yin)為(wei)充電(dian)(dian)(dian)期(qi)間一旦電(dian)(dian)(dian)路(lu)出(chu)現故障，Li+電(dian)(dian)(dian)池將存(cun)在很大的(de)危險(xian)性，過(guo)流、過(guo)壓或(huo)溫(wen)度過(guo)高都有可能造成(cheng)Li+電(dian)(dian)(dian)池爆炸。

包括兩顆主器(qi)(qi)(qi)件(U1和(he)U4)、精密(mi)基準(zhun)(U3)和(he)光耦(U2)。U1是離(li)(li)線式開關(guan)控制器(qi)(qi)(qi)，配(pei)合隔(ge)離(li)(li)變壓器(qi)(qi)(qi)、光耦和(he)基準(zhun)產生隔(ge)離(li)(li)的(de)穩壓直(zhi)流輸(shu)出。直(zhi)流電(dian)(dian)壓供(gong)(gong)給電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)(U4)，U4提供(gong)(gong)電(dian)(dian)流限(xian)制、電(dian)(dian)壓調節、電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)和(he)充(chong)電(dian)(dian)指(zhi)示(shi)等功能(neng)。本方案中，U4是一款簡單的(de)線性充(chong)電(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)，內置調整管，結合其(qi)熱(re)控制環(huan)路(lu)提供(gong)(gong)快(kuai)速充(chong)電(dian)(dian)。

MAX5022的特性

U1(MAX5022)在寬輸入(ru)(ru)(ru)范圍(wei)(wei)的(de)(de)應(ying)用中很容易設計，本文所提供的(de)(de)方(fang)案要(yao)求能夠滿足(zu)全球各地的(de)(de)交流電(dian)源(yuan)規格，這(zhe)里(li)假設通用的(de)(de)輸入(ru)(ru)(ru)電(dian)源(yuan)電(dian)壓范圍(wei)(wei)為85VAC至265VAC。MAX5022的(de)(de)輸入(ru)(ru)(ru)范圍(wei)(wei)指標以及評(ping)(ping)估(gu)(gu)板電(dian)路的(de)(de)輸入(ru)(ru)(ru)范圍(wei)(wei)恰(qia)好滿足(zu)這(zhe)一需(xu)求。對于圖1所示充電(dian)器的(de)(de)電(dian)源(yuan)端(duan)MAX5022評(ping)(ping)估(gu)(gu)板不(bu)需(xu)要(yao)作任何修改(gai)，隔離端(duan)只需(xu)對評(ping)(ping)估(gu)(gu)板的(de)(de)電(dian)阻值稍作修改(gai)。

對于(yu)更(geng)大功率的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)，只需(xu)選(xuan)取功率較大的(de)(de)(de)開(kai)關(guan)管(guan)和(he)能夠(gou)處理更(geng)大功率的(de)(de)(de)變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)(qi)即可(ke)。圖(tu)1所示電(dian)(dian)路(lu)要(yao)(yao)求充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流為780mA，最(zui)大電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)為4.2V。對充電(dian)(dian)電(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)要(yao)(yao)求與(yu)MAX5022評(ping)估板所提(ti)供的(de)(de)(de)輸出(chu)相吻(wen)合：5V@1A，因此，不需(xu)要(yao)(yao)更(geng)換評(ping)估板的(de)(de)(de)晶體管(guan)和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)(qi)。U4采用(yong)(yong)(yong)SOT23封(feng)裝，所以，充電(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)尺寸在很大程度上取決于(yu)應用(yong)(yong)(yong)對充電(dian)(dian)電(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)需(xu)求。變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)(qi)是電(dian)(dian)路(lu)中(zhong)尺寸最(zui)大的(de)(de)(de)元件，由于(yu)開(kai)關(guan)控制器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)工作(zuo)頻率大于(yu)250kHz，允許系(xi)統(tong)選(xuan)用(yong)(yong)(yong)小尺寸的(de)(de)(de)變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)(qi)。

上(shang)電(dian)(dian)(dian)(dian)時，在(zai)(zai)(zai)開關控制器(qi)(qi)工作之前，U1調節器(qi)(qi)直(zhi)接通(tong)過泄漏電(dian)(dian)(dian)(dian)阻R1、R2從整流(liu)通(tong)路吸取少量的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，兩個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻阻值(zhi)保證每個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻上(shang)的(de)壓降不會(hui)超出每個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻的(de)容限，Vin引腳電(dian)(dian)(dian)(dian)壓不會(hui)超出其28V額定值(zhi)(30V為絕對(dui)最大(da)值(zhi))，U1在(zai)(zai)(zai)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓達到(dao)24V時開始開關操作，并吸取更(geng)大(da)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(高于R1、R2所(suo)能(neng)(neng)提(ti)供(gong)(gong)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu))，在(zai)(zai)(zai)變壓器(qi)(qi)副邊線圈能(neng)(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)(gong)足夠(gou)的(de)能(neng)(neng)量之前，額外的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)由Vin引腳的(de)旁路電(dian)(dian)(dian)(dian)容供(gong)(gong)給(gei)。這種處理(li)方(fang)式能(neng)(neng)夠(gou)適合較寬的(de)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓范圍，對(dui)效率的(de)影響也很小，這是因為在(zai)(zai)(zai)啟(qi)動過程中(zhong)只(zhi)需極小的(de)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(典型(xing)值(zhi)為50uA)。  

為(wei)了(le)防止U1的(de)(de)Vin引腳出現過壓(ya)，可(ke)以在Vin與地(di)之間接一個26V至30V的(de)(de)齊(qi)納管，電壓(ya)值需要高于欠壓(ya)鎖存電壓(ya)的(de)(de)最大值，低(di)于該引腳所允許的(de)(de)最大絕對(dui)電壓(ya)。如(ru)果器(qi)件沒有啟動正(zheng)常的(de)(de)開關操作，則可(ke)認為(wei)電路發生了(le)某些問題，所以，這一保護(hu)措施對(dui)于U1來(lai)說并(bing)不是必(bi)需的(de)(de)。

U1是一款電(dian)流模式PWM控制(zhi)器(qi)，具有(you)(you)逐(zhu)周期限(xian)流電(dian)路(lu)，必要時(shi)其占(zhan)空比可以提(ti)高(gao)到(dao)75%，非常(chang)適合(he)圖(tu)1所示的(de)(de)反激(ji)拓撲。原(yuan)邊開關電(dian)流檢測采用尺寸為(wei)1206的(de)(de)1.78Ω電(dian)阻(zu)(R7)，該電(dian)阻(zu)限(xian)制(zhi)了(le)變壓器(qi)原(yuan)邊的(de)(de)最(zui)大電(dian)流。固定開關頻率和最(zui)大占(zhan)空比限(xian)制(zhi)使得最(zui)大限(xian)流具有(you)(you)輸出短(duan)路(lu)保(bao)護功能。  

一旦(dan)短路(lu)輸出造成電(dian)路(lu)達(da)到(dao)了上述限(xian)制條件，第三(san)組線圈將無法提供10V以(yi)上的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)(UVLO的(de)(de)低電(dian)壓(ya)(ya)門限(xian))，U1將再(zai)次進入啟動(dong)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)，停止開關操作。短路(lu)故(gu)障解除后系統會自動(dong)恢復正常的(de)(de)工作狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。  

電壓調節
 
變壓(ya)(ya)器副邊(bian)的電(dian)(dian)壓(ya)(ya)經過(guo)整流、濾波，然后由(you)R4、R5分壓(ya)(ya)在(zai)并聯型穩壓(ya)(ya)器U3的調節點產(chan)生(sheng)1.24V(對應(ying)于4.5V輸出)的反(fan)饋電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。為保證(zheng)電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)器正常工作，4.5V是(shi)最低(di)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(包括容差)。因為充(chong)電(dian)(dian)器采用的是(shi)線(xian)性(xing)結構，充(chong)電(dian)(dian)效率(lv)與輸入、輸出電(dian)(dian)壓(ya)(ya)的差值成反(fan)比，用最低(di)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)為充(chong)電(dian)(dian)器供電(dian)(dian)有助于降低(di)功率(lv)損耗(hao)。  

當調(diao)節點(dian)電(dian)壓(ya)高于(yu)(yu)1.24V時(shi)，并聯型(xing)穩(wen)壓(ya)器將(jiang)吸入電(dian)流(liu)(liu)，導(dao)通(tong)光(guang)耦LED，原邊的(de)(de)(de)光(guang)敏晶(jing)體(ti)(ti)管將(jiang)處于(yu)(yu)發(fa)光(guang)狀態(tai)。U1的(de)(de)(de)OPTO輸入引(yin)腳(jiao)(jiao)用于(yu)(yu)直(zhi)接(jie)連接(jie)光(guang)敏晶(jing)體(ti)(ti)管，以極其(qi)簡單的(de)(de)(de)方式構成閉合(he)環(huan)路(lu)。光(guang)敏晶(jing)體(ti)(ti)管導(dao)通(tong)時(shi)，OPTO引(yin)腳(jiao)(jiao)被(bei)拉低，內部比(bi)較(jiao)器在(zai)它的(de)(de)(de)一個輸入端檢測到較(jiao)低的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)，比(bi)較(jiao)器的(de)(de)(de)另一輸入電(dian)流(liu)(liu)檢測引(yin)腳(jiao)(jiao)(CS)的(de)(de)(de)峰值電(dian)壓(ya)，OPTO引(yin)腳(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)低電(dian)壓(ya)將(jiang)在(zai)每個周期直(zhi)接(jie)限(xian)(xian)制(zhi)功(gong)率MOSFETN1的(de)(de)(de)峰值電(dian)流(liu)(liu)。由于(yu)(yu)U1是一個PWM控制(zhi)器，電(dian)流(liu)(liu)限(xian)(xian)制(zhi)使得(de)電(dian)壓(ya)調(diao)節受(shou)作(zuo)用在(zai)N1上的(de)(de)(de)占空比(bi)(導(dao)通(tong)時(shi)間與斷(duan)開時(shi)間的(de)(de)(de)比(bi)值)的(de)(de)(de)影響，環(huan)路(lu)穩(wen)定性通(tong)過(guo)調(diao)節R11和(he)C12來保(bao)證(zheng)。R10和(he)C5(連接(jie)在(zai)U3的(de)(de)(de)第(di)3和(he)第(di)4引(yin)腳(jiao)(jiao))可消除穩(wen)定工作(zuo)情況下的(de)(de)(de)噪聲干擾。

U4的工作特點

U4是(shi)一款用于(yu)單節Li+電(dian)(dian)(dian)(dian)池充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)、功能(neng)完備的(de)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器，采用線性充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)模(mo)式，內(nei)置調(diao)整管(guan)和電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)檢測電(dian)(dian)(dian)(dian)路。另外(wai)，它還集成了一個反向抑(yi)制二極管(guan)，在(zai)去(qu)掉輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)源時可防止電(dian)(dian)(dian)(dian)池方向放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)。接(jie)入一個深度放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池時，U4能(neng)夠檢測到低電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(低于(yu)2.5V)，這樣(yang)，U4將(jiang)首先(xian)啟(qi)動(dong)涓流(liu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)過程，在(zai)快充(chong)(chong)(chong)周期的(de)1/10時間段對電(dian)(dian)(dian)(dian)池進行涓流(liu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，直(zhi)到電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓上升到2.5V以上。在(zai)涓流(liu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)到快速充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)轉換(huan)時，軟(ruan)啟(qi)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)路迫使(shi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)在(zai)3ms時間內(nei)緩(huan)慢上升，避免較大的(de)浪涌電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)拉低輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)源。

   上述功能的(de)實施不(bu)需(xu)要微控制(zhi)器的(de)監管(guan)，而且(qie)，U4還(huan)具有可編(bian)程(cheng)的(de)溫度限制(zhi)功能，我們會(hui)在下面(mian)就這一(yi)點進行詳(xiang)細討論(lun)。用一(yi)個電阻設(she)置(zhi)最大充電電流(liu)，電阻兩端的(de)電壓與充電電流(liu)成正比，通過監視(shi)(shi)該電壓即可連續跟蹤充電電流(liu)，更為復雜的(de)系統也可以采(cai)用ADC跟蹤監視(shi)(shi)充電電流(liu)。

Maxim還提供有另一款與MAX1507非常相似(si)的充電器(qi)―MAX1555，這(zhe)款IC能夠在沒有交流電源的情(qing)況下(xia)從USB主(zhu)機獲得(de)充電電源。  

電流調節

如果把Li+電池直接與一個低阻電壓源連接，充電電流將不受任何限制，這種狀況會對電池及其周圍環境造成災難性的損害，從Li+電池的安全性考慮，必須將其充電電流限制在額定范圍以內。U4根據連接在ISET(第5引腳)的電阻限制充電電流，圖1電(dian)路中選用了(le)一個1.87kΩ的(de)電(dian)阻，將最大電(dian)流(liu)設置在780mA:

Ifast=1461V/Rset=1461/1870≈780mA

電(dian)池電(dian)壓最(zui)(zui)小時(shi)，由于輸入穩定在4.5V，U4輸入與(yu)輸出的壓差最(zui)(zui)大(da)，如果此時(shi)電(dian)池是(shi)以最(zui)(zui)大(da)電(dian)流充(chong)電(dian)，U4功耗將達到最(zui)(zui)大(da)值。例如，假設(she)電(dian)池電(dian)壓為2.5V，則對應(ying)的功耗為：

P=IV=(0.78A)×(4.5V-2.5V)=1.56W

U4封裝(8引腳薄型DFN-EP，EP表示裸露焊盤)在溫度高達70℃時可以耗散的最大功率是1.951W，這樣，在整個電池電壓范圍內以780mA的電流充電應該沒有任何問題。但是，如果IC管芯由于較高的環境溫度或不良的散熱條件達到了70℃，U4內部的熱調節環路將自動降低充電電流，這一過程有別于其它充電IC中的“熱關斷”，“熱關斷”方式只是簡單地中止芯片中的所有電路工作，直到晶片溫度降至規定的數值。MAX1507所采用的方案能夠保證在芯片溫度不超出最大限制范圍的條件下提供最快的充電速率，隨著電池電壓的升高，充電電流在保持最高溫度的前提下逐漸升高，直到達到最大充電電流。在此之后，充電器在滿足芯片溫度限制的條件下將以最大充電電流對電池充電，直到(dao)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)(ya)達到(dao)內(nei)部設置的(de)4.2V±1%。電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)(ya)達到(dao)門限(xian)值(zhi)后，U4將輸出電(dian)(dian)壓(ya)(ya)保持(chi)在4.2V，從而使充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)開始下(xia)降(jiang)。充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)降(jiang)低(di)到(dao)快充(chong)(chong)電(dian)(dian)流(liu)的(de)10%時，充(chong)(chong)電(dian)(dian)指示燈關閉(bi)，表(biao)示充(chong)(chong)電(dian)(dian)周期結束。

如果(guo)充(chong)電(dian)過程(cheng)中輸出負載增大，例(li)如，用戶在電(dian)池充(chong)電(dian)時啟動了(le)其它電(dian)路，U4允許返回到限流模式。

測試結果

圖1電(dian)(dian)(dian)路輸(shu)入為(wei)110V交流電(dian)(dian)(dian)源，輸(shu)出為(wei)4.14V、740mA負(fu)載，效率可達到(dao)46%。當負(fu)載電(dian)(dian)(dian)流增大使電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓降(jiang)(jiang)至(zhi)(zhi)2.7V時，電(dian)(dian)(dian)路將輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)流限(xian)制在(zai)(zai)802mA，比設置的(de)780mA限(xian)流門限(xian)提(ti)高不(bu)到(dao)3%，在(zai)(zai)規定(ding)的(de)參數指標(biao)以內。MAX1507允(yun)許±8%的(de)變化。當電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓拉至(zhi)(zhi)2.5V時，輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)流降(jiang)(jiang)至(zhi)(zhi)76.1mA，在(zai)(zai)78mA(780mA的(de)1/10)的(de)3%以內。U4數據手冊(ce)中規定(ding)允(yun)許±5%的(de)范圍。輸(shu)出短路時電(dian)(dian)(dian)路還允(yun)許返(fan)回到(dao)該(gai)模式。

空載時，輸出穩定在4.2V左右，形成一個三角波，在U4輸出接一個負載電阻可以消除這個偏差，保持其連續性，但會降低系統效率，但對于交流電供電(dian)系統來說，效率并不重要。

利用電(dian)(dian)流模式PWM控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(U1)構成(cheng)隔離電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，結(jie)合Li+電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)IC(U4)和其它元件(jian)(jian)可以構成(cheng)一個由通用的交(jiao)流電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)供電(dian)(dian)的Li+電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)器(qi)(qi)。該方案不(bu)需要任何額外的控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)路(如微控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)的干預)，也(ye)不(bu)需要軟件(jian)(jian)開發。硬件(jian)(jian)開發只需對Maxim提供的標(biao)準評估(gu)板稍(shao)作修(xiu)改即可，具(ju)有成(cheng)本低、開發周期短等優勢(shi)。

由于系統沒有60Hz的隔離(li)變壓器，具有尺寸小、輕便(bian)等特點，可用于手機或(huo)其它手持設(she)備的充電。所有熱量(liang)均集中在交流適配器內，與(yu)內置充電器的手持設(she)備相比，不需要過多考慮(lv)散熱問題。