适用于全球交流电源锂离子电池充电器设计

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MOSFETN1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。