手机和PDA中Li+电池的开关模式、线性和脉冲充电技术

Li+电池充电有三种方法：开关模式、线性和脉冲。每种方法都有其优点和缺点。开关模式充电可在很宽的 AC 适配器电压范围内最大限度地降低功耗，但与线性和脉冲充电相比，会占用更多的电路板空间并增加复杂性。线性充电器体积小，非常适合噪声敏感设备，但功耗很高。脉冲充电器体积小且效率高，但需要限流交流适配器。根据成本、空间和效率的优先级选择充电方式。

为手机和PDA中的Li+电池充电是一种平衡行为。一方面，需要大电流来快速替换在传输语音或数据时从电池中耗尽的能量。另一方面，充电器需要很小，以适应不断缩小的手机和通信PDA外形。了解可用的充电器类型以及它们之间的权衡，设计人员可以为特定应用选择合适的充电器。

Li+电池充电器的要求

Li+电池充电器必须限制充电电流和电池的最大电压。设计人员应咨询电池制造商，以确定安全为特定电池充电所需的条件。通常会添加其他功能以延长电池寿命或充电器的操作。其中包括降低过放电电池的充电电流、检测故障电池、电池电压监控和/或电量计、输入电流限制、充电完成后关闭充电器、局部放电后自动重启充电、充电状态指示和外部充电器启用/禁用控制。

这些功能可以在充电器本身、ASIC或分立电路中实现，也可以在微控制器中的软件中实现。电路设计人员根据具体应用和可容忍的成本或复杂程度决定要包含哪些功能以及如何实现这些功能。

Li+充电器的类型

Li+电池充电器有三种类型：开关模式、线性和脉冲。这些拓扑之间的主要区别在于它们提供的大小和成本与性能权衡。

开关模式充电器往往更大、更复杂，并且需要较大的无源输出LC滤波器;额外的电路板空间提高了效率。

线性和脉冲充电器占用电路板空间很小，并且需要最少的外部元件。虽然线性充电器可能不需要太多的电路板空间来容纳IC及其外部元件，但它可能需要额外的电路板面积来散发充电器调整管产生的热量。脉冲充电器不会出现此问题。但是，它们确实需要限流的AC适配器，这通常更昂贵。

开关模式充电器

图1所示为典型开关模式Li+充电器电路的原理图。它使用带有双通道n沟道MOSFET的MAX1737 Li+电池充电器控制器，将AC适配器电压降压至电池电压。在整个电池电压范围和很宽的交流适配器电压范围内，该电路的功耗保持在约1W以下。该电路可以轻松扩展，允许多达四个串联电池以高达4A的电流充电。

图1.MAX1737开关模式Li+充电器。

开关模式充电器在输入和电池电压变化很大的情况下具有始终如一的低功耗，与线性充电器相比具有明显的优势。与脉冲充电器相比，开关模式充电器还具有优势：它们在很宽的输入电压范围内表现良好，允许使用比使用脉冲充电器更小、更便宜的交流墙上适配器。这种类型的充电器的主要缺点是它的尺寸和复杂性。该控制器及其外部开关和LC滤波器比其他类型的充电器消耗更多的电路板空间。其他缺点包括充电器开关动作引起的EMI和电噪声以及输出滤波器电感引起的辐射。然而，控制器的固定开关频率允许轻松滤除电噪声，但在电路布局和元件选择时必须小心谨慎，以防止出现干扰问题。

图1所示的充电器电路包括许多其他特性，可延长电池寿命和系统运行。例如，充电器电路的控制器允许对流入电路的电流进行限制。当该电流上升到极限时，控制器会自动减少为电池充电的电流，从而对流入电路输入的电流设置上限。由于充电器限制了输入电流，因此可以使用更小且通常更便宜的交流墙上适配器为电路供电。

充电器包括一个状态机，该状态机在充电完成后关闭充电器，并在电池中的部分电量耗尽时自动重新启动充电。安全功能包括以降低的电流对过度放电的电池进行温和的预充电，以及检测故障电池的能力。此外，充电和状态指示灯可以直接驱动LED或与微控制器通信。

线性充电器

最小化充电器尺寸和复杂性的一种方法是使用线性充电器。线性充电器使用调整管（通常是MOSFET，但有时是双极晶体管）将AC适配器电压降至电池电压。外部元件的数量要少得多：线性充电器需要输入和输出旁路电容器，有时还需要外部调整管，以及用于设置电压和电流限值的电阻器。

线性充电器的主要缺陷是功耗。充电器只需将交流适配器电压降至电池电压即可。调整元件的功耗等于适配器电压减去电池电压乘以充电电流。对于 1A 充电器、5V±10% 稳压交流适配器电压以及 4.2V 至 2.5V 之间的电池电压，功耗范围为 0.3W 至 3.0W。

图2所示为典型的线性Li+充电器。本电路使用MAX1898和外部p沟道MOSFET将AC适配器电压降至电池电压。这种类型的充电器比开关模式类型简单得多，主要是因为不需要无源LC滤波器。当电池电压处于最小值时，它消耗的功率最大，因为在这种情况下，固定输入电压和电池电压之间的差异最大。MAX1898具有一种特性（称为预认证状态），可降低低于2.5V电池电压时的充电电流。因此，当电池略高于标称2.5V预认证门限且输入电压处于最大值时，会出现最差情况的功耗。对于 5V±10% 输入，最大输入电压为 5.5V。考虑到容差，MAX1898的最小预认证电压为2.375V。因此，调整管的最坏情况下功耗为每安培充电电流3.125W。对于高充电电流（约1A），高功率耗散可能会导致小型手机或PDA过热，从而降低其性能。不幸的是，降低充电电流以消除功耗问题会增加充电时间。根据应用的不同，在额外热量和额外充电时间之间进行选择可能很困难。

图2.MAX1898线性Li+充电器。

即使考虑到与线性充电相关的功耗问题，它仍然可能是无线设备的最佳选择。由于没有开关动作，也不需要电感器，线性充电器的传导和辐射发射低于其他类型的充电器。这种降低的噪声可能使线性充电器成为噪声敏感型无线设备的合适解决方案。

MAX1898包括：可直接驱动LED或微控制器的充电指示灯、降低过放电电池充电电流的电池欠压电路、充电完成后关闭充电器的定时器，以及可调重启门限，可在电池放电时自动恢复充电。ISET引脚在充电器调节电压时设置充电电流并指示其电平。ISET引脚上的电压可由ADC或比较器监控，以确定电池充电电流何时降至足够低的水平;此电平或板载定时器可用于终止充电。控制器还包括一个指示充电状态的输出引脚 （/CHG） 和一个输入和输出组合引脚 （EN/OK），用于指示输入电压的存在并启用充电器。

脉冲充电器

第三种类型的Li+充电器，脉冲充电器，具有开关模式和线性充电器的一些优点。与开关模式充电器一样，脉冲充电器也能高效运行。当充电的电池电压较低时，其调整管保持导通，并将输入源电流直接传导至电池。当电池电压达到电池调节电压时，充电器对输入电流进行脉冲以达到所需的充电电流，从而将电池电压调节在所需的电压限值。因为晶体管在充电周期的这一部分不在其线性区域工作，而是像开关一样工作，耗散功率远低于线性充电器。由于脉冲充电器不需要输出LC滤波器，因此它比开关模式充电器小。

图3所示为MAX1736 Li+脉冲充电器。它在简单性和少量外部组件方面可与线性充电器相媲美。由于其功耗较低，因此无需像线性充电器那样考虑充电时间和功耗之间的权衡。

图3.脉冲模式Li+充电器。

然而，脉冲充电器并非没有特殊要求。首先，为充电器供电的输入电压源必须有电流限制。电流限制需要相当准确;具有这种精度水平的壁立方体并不像没有精确电流限制的立方体那样普遍可用。它们也更贵。然而，在某些情况下，交流适配器电流限制的指定足够准确，以确保其供电的设备中的故障不会造成安全隐患。如果由于这种或其他原因需要精确的输入电流限制，则在使用它进行充电时不会产生额外费用。

当电池电压低于1736.6V时，MAX2以5mA的低电流自动为电池充电，防止电池在过放电状态下损坏电池。但是，控制器不会自动终止充电。在大多数情况下，它在充电电流降至某个阈值以下（通常是充电电流限制的 10%）后终止充电。为了设置这种充电终止模式，MAX1736的GATE引脚用于直接驱动微控制器的输入。通过测量GATE引脚电压的占空比，微处理器确定平均电流。对于10%的情况，一旦GATE引脚的占空比降至10%以下，微控制器就会终止充电。微控制器还可以通过驱动EN引脚来禁用MAX1736。当输入源消失或EN引脚为低电平时，电池上的漏极减小到2μA，以防止充电器在充电完成后对电池放电。

结论

开关模式充电器在输入和充电电压及电流变化很大的情况下功耗很小，但与其他类型充电器相比，成本和复杂性更高。线性充电器比开关模式器件更小、更简单，但在大多数情况下，它们消耗的功率更大。脉冲充电器的功耗要小得多，电路板面积也很小，但需要更昂贵的交流适配器来限制从它们汲取的电流。只有在权衡了这些不同因素中哪一个对特定设计最重要之后，才会出现最佳选择。

审核编辑：郭婷