适用于全球交流电源锂离子电池充电器设计

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85VAC至265VAC。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。