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浅谈小电流充电器可为USB-单节电池系统提供备份
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2017-12-01
红色叶子
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引言
本方案为低功耗应用解决了一个非常特殊的电池备份问题。当12VDC电源中断时，用户需要一个集成方案，为备份电池提供充电和电源切换。当电压下降至3.0V时，尤其需要一个断开电池的途径，这里不考虑电量计管理问题。
应该说市场上有大量方案可以解决负载供电和充电问题。然而，这里讨论的设计非常容易实现，而且可以独立工作，无需微控制器，设计灵活、成本低。该方案采用模拟电路实现，无需编程。占用非常小的PCB面积，可满足空间受限应用的要求。
该设计的灵感来源于射频（RF）系统。实际上，该电路对于任何低功耗移动装置（例如，定期发射无线信号的装置）非常有用。大多数USB充电器支持4V-7V供电，高于7V的输入可能损坏电路。本设计在输入电压低于7V时工作，可承受高达28V的输入电压，支持USB供电。电路利用USB电源对单节锂离子（Li+）电池充电，同时为低功耗设备提供备份电源。
设计指标
该设计假设利用12VDC电源进行充电。电路（图1）包括单节电池线性充电器，通过直流电源为单节Li+电池充电。电源在为单节电池充电的同时提供负载供电，电路采用电阻限流。最大电流通过电阻设置（-20°C至+50°C时为50mA，-40°C至+85°C时为10mA），电流优先用于驱动负载。当负载不需要满载电流时（400mA），剩余电流用于为电池充电。没有直流电源供电，电池电压降至用户规定电平时，电压监测器可以控制超低电阻开关，将电池从负载断开。该操作可避免电池深度放电。
图1
U1 （MAX8814）为线性Li+电池充电器，支持4.25V至7V供电，覆盖USB供电范围。U1输入可承受高达28V耐压，但当直流电源超过7V时禁止U1输出。U1的充电电压在出厂时设置为固定4.2V.最大充电电流可由用户调节：ICHARGE = 1596V/ RSET.RSET为2.8kΩ时，最大充电电流为570mA.U2 （MAX9646）低功耗比较器内部集成0.2V基准，基准电压连接至同相输入端用于监测电池电压，提供推挽输出，VTRIP为0.2V×（R1 + R2）/R2.R1 = 82.5kΩ及R2 = 5kΩ时，触发电压为3.5V.当电池电压下降至3.5V时，U2输出控制关断0.01Ω电池开关U3 （MAX14680），将电池从负载断开。
U1封装大小为2mm x 2mm，U2封装为1mm x 1mm，U3为1.3mm x 1.7mm，所以电路非常节省空间，只需要5个外部元件。
本方案为低功耗应用解决了一个非常特殊的电池备份问题。当12VDC电源中断时，用户需要一个集成方案，为备份电池提供充电和电源切换。当电压下降至3.0V时，尤其需要一个断开电池的途径，这里不考虑电量计管理问题。
应该说市场上有大量方案可以解决负载供电和充电问题。然而，这里讨论的设计非常容易实现，而且可以独立工作，无需微控制器，设计灵活、成本低。该方案采用模拟电路实现，无需编程。占用非常小的PCB面积，可满足空间受限应用的要求。
该设计的灵感来源于射频（RF）系统。实际上，该电路对于任何低功耗移动装置（例如，定期发射无线信号的装置）非常有用。大多数USB充电器支持4V-7V供电，高于7V的输入可能损坏电路。本设计在输入电压低于7V时工作，可承受高达28V的输入电压，支持USB供电。电路利用USB电源对单节锂离子（Li+）电池充电，同时为低功耗设备提供备份电源。
设计指标
该设计假设利用12VDC电源进行充电。电路（图1）包括单节电池线性充电器，通过直流电源为单节Li+电池充电。电源在为单节电池充电的同时提供负载供电，电路采用电阻限流。最大电流通过电阻设置（-20°C至+50°C时为50mA，-40°C至+85°C时为10mA），电流优先用于驱动负载。当负载不需要满载电流时（400mA），剩余电流用于为电池充电。没有直流电源供电，电池电压降至用户规定电平时，电压监测器可以控制超低电阻开关，将电池从负载断开。该操作可避免电池深度放电。
图1
U1 （MAX8814）为线性Li+电池充电器，支持4.25V至7V供电，覆盖USB供电范围。U1输入可承受高达28V耐压，但当直流电源超过7V时禁止U1输出。U1的充电电压在出厂时设置为固定4.2V.最大充电电流可由用户调节：ICHARGE = 1596V/ RSET.RSET为2.8kΩ时，最大充电电流为570mA.U2 （MAX9646）低功耗比较器内部集成0.2V基准，基准电压连接至同相输入端用于监测电池电压，提供推挽输出，VTRIP为0.2V×（R1 + R2）/R2.R1 = 82.5kΩ及R2 = 5kΩ时，触发电压为3.5V.当电池电压下降至3.5V时，U2输出控制关断0.01Ω电池开关U3 （MAX14680），将电池从负载断开。
U1封装大小为2mm x 2mm，U2封装为1mm x 1mm，U3为1.3mm x 1.7mm，所以电路非常节省空间，只需要5个外部元件。
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