智能充電管理集成電路MAX1870簡(jiǎn)介及應(yīng)用

MAX1870是Maxim公司推出的升／降壓型智能電池充電管理集成電路，可以在電池電壓高于或低于適配器電壓的情況下。用于對(duì)2～4節(jié)鋰離子電池的充電控制。該器件內(nèi)嵌有用戶(hù)可編程的8位RISC微控制器內(nèi)核和多通道數(shù)據(jù)獲取單元電路、高速SPI接口電路、以及主／從SMBus接口電路，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的電量檢測(cè)。

1  MAX1870A概述

MAX1870A芯片具備為L(zhǎng)i+、NiMH和NiCd電池充電所需的所有功能。它采用高效H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)控制充電電壓和電流。與傳統(tǒng)H橋控制器相比，這種專(zhuān)有的控制方案具有更高的效率，能夠使用更小的電感，并可工作在高于和低于電池電壓的輸入電壓下。MAX1870A內(nèi)部集成的模擬控制輸入可以限制AC適配器電流、充電電流和電池電壓。而模擬輸出(IINP)則可提供一個(gè)正比于輸入電源電流的輸出電流。

MAX1870A內(nèi)部還集成了一個(gè)電壓調(diào)節(jié)環(huán)路(CCV)和兩個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)路(CCI和CCS)。其中CCV是電池電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的補(bǔ)償點(diǎn)，CCI和CCS則分別是電池充電電流環(huán)路和供電電流環(huán)路的補(bǔ)償點(diǎn)。MAX1870A可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載需求來(lái)降低電池充電電流，從而調(diào)節(jié)適配器電流。

2  MAX1870A的引腳功能

圖1所示是MAX1870A的引腳排列圖，各引腳的功能說(shuō)明如表1所列。



3  MAX1870A的充電設(shè)置

3.1  充電電壓的設(shè)置

MAX1870A能夠精確地調(diào)節(jié)充電電壓。它主要利用VCTL的電壓來(lái)調(diào)節(jié)每節(jié)電池的電壓門(mén)限。在0～VREFIN范圍內(nèi)設(shè)置VCTL的電壓，也可以在10％的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)單節(jié)電池的充電電壓，或者將VCTL和LDO互連，以實(shí)現(xiàn)每節(jié)電池4.2 V的默認(rèn)設(shè)置。MAX1870智能充電集成電路中的有限范圍調(diào)節(jié)特性，可有效降低充電電壓對(duì)外接電阻容差的敏感度。當(dāng)利用±1％的電阻來(lái)對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓并形成VCTL的電平時(shí)，充電電壓的總精度會(huì)優(yōu)于±1％。一般情況下，每節(jié)電池的端電壓與電池的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)(具體可咨詢(xún)電池制造商以確定該電壓)，有時(shí)候也可以根據(jù)以下公式來(lái)計(jì)算電池電壓：


其中，NCELLS表示由CELLS選定的電池?cái)?shù)量。VCTL與REFIN上的電壓成比例關(guān)系，因而可在使用電阻分壓器時(shí)提高電路精度。按照表1所列的方法連接CELLS，即可對(duì)兩節(jié)、三節(jié)或四節(jié)電池進(jìn)行充電。電池?cái)?shù)量一般可由硬件設(shè)定，也可由軟件控制。設(shè)計(jì)時(shí)可由內(nèi)部誤差信號(hào)放大器(GMV)對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。在CCV和GND間串聯(lián)一只10 kΩ電阻和一只0.01μF電容，可以對(duì)電池電壓環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2充電電流的設(shè)置

利用ICTL以及CSIP和CSIN之間的電流檢測(cè)電阻RS2來(lái)設(shè)置最大充電電流。同時(shí)可根據(jù)VICTL／VREFIN的比例關(guān)系來(lái)設(shè)置電流閥值。一般情況下，可根據(jù)以下公式設(shè)定電池充電電流：

其中，VCSIT表示滿(mǎn)刻度充電電流閥值(典型值為73 mV)。ICTL的輸入范圍是VREFIN／32到VREFIN。若要關(guān)斷MAX1870A，則可將ICTL強(qiáng)制下拉到VREFIN／100以下。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)內(nèi)部誤差信號(hào)放大器(GMI)來(lái)對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。在CCI與GND之間連接一只0.01μF的電容可以補(bǔ)償充電電流環(huán)路。

3.3輸入電流門(mén)限的設(shè)置

由墻上適配器或其它DC電源輸出的總電流是系統(tǒng)供電電流和電池充電電流之和。當(dāng)輸入電流超過(guò)預(yù)定點(diǎn)時(shí)，MAX1870A會(huì)降低充電電流，以限制流出墻上適配器的電流。隨著系統(tǒng)供電電流的增大，可用于充電的電流會(huì)下降。在充電電流降到零后，若系統(tǒng)電流繼續(xù)增大，MAX1870A將無(wú)法進(jìn)一步限制墻上適配器的電流。

輸入源電流是MAX1870A的靜態(tài)電流、充電器輸入電流和系統(tǒng)負(fù)載電流的總和。與充電電流、負(fù)載電流相比，MAX1870A的6mA最大靜態(tài)電流是非常小的。事實(shí)上，可根據(jù)以下公式來(lái)確定墻上適配器的實(shí)際電流：
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其中，η表示DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率(典型值為85％～95％)，ISYS_LOAD表示系統(tǒng)負(fù)載電流，IADAPTER表示適配器電流，ICHARGE表示充電電流。

通過(guò)控制輸入電流可降低對(duì)交流適配器的電流要求，以使系統(tǒng)尺寸和成本降到最小。為控制輸入電流，必要時(shí)應(yīng)降低充電電流，以便優(yōu)先保證系統(tǒng)負(fù)載供電。

器件內(nèi)部的放大器可將(VCSSP-VCSSN)及(VCSSP-VCSSS)之和與CLS輸入設(shè)定的電壓進(jìn)行比較。VCLS可直接被激勵(lì)，也可利用REF和GND間的分壓電阻來(lái)設(shè)定。將CLS連至REF可選擇最大輸入電流門(mén)限為105 mV。而利用檢測(cè)電阻RS1a和RS1b則可設(shè)置墻上適配器的最大允許電流。RS1a、RS1b和RS2的阻值相同。根據(jù)以下公式可計(jì)算出墻上適配器的最大電流：

其中，VCSST表示滿(mǎn)刻度源電流檢測(cè)電壓閥值(典型值為105 mV)。通過(guò)內(nèi)部誤差信號(hào)放大器(GMS)可對(duì)輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般情況下，在CCS和GND間接一只0.01μF的電容即可補(bǔ)償源電流環(huán)路(GMS)。

3.4輸入電流測(cè)量

MAX1870A具有一個(gè)輸入電流監(jiān)視輸出引腳IINP。IINP是系統(tǒng)電流與充電電流之和按比例縮小后的“復(fù)制品”。IINP的輸出電壓范圍是0～3.5V。IINP上的電壓與適配器輸出電流的比例關(guān)系可用下式表示：

其中，IADAPTER表示AC墻上適配器提供的DC電流，GIINP表示IINP的跨導(dǎo)(典型值為2.8μA／mV)，R7是在IINP和地間相連的電阻。

4  MAX1870A的典型應(yīng)用電路

在圖2所示的MAX1870A的應(yīng)用電路中，充電電壓和電流固定為特定值。ICTL引腳的電壓和RS2的值設(shè)定了充電電流的值。VCTL引腳的電壓和CELLS的輸入則可用于設(shè)定充電器的電池調(diào)節(jié)電壓。CLS引腳的電壓租R3、R4的阻值可用于設(shè)定輸入電源的電流門(mén)限。當(dāng)DC電源輸入反向時(shí)，可選擇二極管D1和D2來(lái)保護(hù)MAX1870A。


5  MAX1870A的主要外圍器件選擇

5.1  MOSFET的選擇

使用MAX1870A需要一個(gè)p溝道MOSFET和一個(gè)n溝道MOSFET，一般情況下，只要具有相等或更低的導(dǎo)通電阻和柵極電荷，并且有足夠的電壓、電流和功率容量，就可替代這些元件。如果是更小功率的應(yīng)用，也可按比例降低MOSFET的要求，此時(shí)可選用柵極電荷更小的MOSFET，但MOSFET的導(dǎo)通電阻則應(yīng)同比例地增加。例如，如果實(shí)際設(shè)計(jì)只需一半的電流，則可選擇導(dǎo)通電阻大兩倍而柵極電荷只有一半的MOSFET，這樣可同時(shí)保持相同或更高的效率，而其尺寸和成本卻可得到降低。確認(rèn)線性穩(wěn)壓器能驅(qū)動(dòng)選定的MOSFET后，驅(qū)動(dòng)一只給定的MOSFET所需的平均電流為：


5.2電感的選擇

選擇電感的原則應(yīng)使MOSFET、電感和檢測(cè)電阻中的功耗最小。為了優(yōu)化電阻損耗和RMS電感電流，可將LIR(電感電流紋波)設(shè)置為0.3。由于最大阻性功率損耗一般發(fā)生在混合模式中的升壓臨界狀態(tài)，故應(yīng)選擇適用于該模式的LIR。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)以下公式來(lái)選擇電感：



實(shí)際上，也可采用更大的電感，但會(huì)產(chǎn)生降低效率的額外電阻。而太小的電感值不但會(huì)增加RMS電流，也會(huì)降低效率。

5.3輸入輸出電容的選擇

輸入電容必須滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的紋波電流要求(IRMS)。因紋波電流而引起的溫升不應(yīng)超過(guò)10℃，所選電容的紋波電流容量應(yīng)大于0.5ICHG。

輸出電容可優(yōu)先考慮陶瓷類(lèi)電容器件，其原因是陶瓷電容器件對(duì)浪涌電流具有比較強(qiáng)的適應(yīng)性。但在輸入電壓為最小時(shí)，混合模式期間會(huì)產(chǎn)生最差的輸出紋波。

6 結(jié)束語(yǔ)

鋰離子電池的用量越來(lái)越大，其充／放電管理也成了一個(gè)很重要的問(wèn)題。合理的對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充，放電，對(duì)鋰離子電池的使用壽命和使用安全性有重要意義。而多節(jié)鋰離子電池的充／放電又存在一個(gè)平恒充／放電。充足電和不要過(guò)放電的問(wèn)題。而要解決這些問(wèn)題，離不開(kāi)鋰離子電池的充／放電管理．而采用集成的鋰離子電池充／放電管理器件無(wú)疑是一個(gè)很好的方案。