基于便携机的锂离子蓄电池充电器的设计

万方数据 ２００６．８ Ｖ０１．３０ ＮＯ．８
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洁方便，能满足便携机所需的大电流、高精度、体积．１内部框图及引脚功能
ＭＡＸ ７４５是属于电流型ＰＷＭ控制的降压式ＤＣ／ＤＣ变 换芯片，其内部框图如图１所示。
各引脚的定义： ＤＣＩＮ——芯片电压输入端； ｍＡＴ——充电电流检测信号放大器的输出端，用于精密监测电池
根据锂离子蓄电池的特性，充电器必须设计为先进行恒 流充电再进行恒压充电的工作模式，充电器何时从恒流充电 转换为恒压充电，主要取决于被充电池自身的状态。当电池电 压低于充电电压设定值时，电流误差放大器ＧＭＩ占主导地 位，ＢＡＴＴ端和ＣＳ端之间的电流取样电阻两端电压经电流取 样放大后，加到电流误差放大器ＧＭＩ反相输入端，与设置的 ＳＥＴＩ端电压进行比较后送ＰＷＭ中调制，以改变ＰＷＭ的输 出脉冲宽度，控制外接的两个ＭＯＳ管的导通与关断时间，使 充电电流维持恒定，此时充电器处于恒流充电状态。
图２是用ＭＡＸ ７４５芯片设计的充电控制原理图。图中 Ｖ ３、Ｖ ４是两个Ｎ沟道ＭＯＳ管，它们分别是ＭＡＸ ７４５芯片 驱动信号控制的主开关管和同步整流管，通过ＤＨＩ、ＤＬＯ驱 动信号的控制来改变ＭＯＳ管的导通时间（频率不变）以获得 恒定的充电电流和充电电压值。Ｖ ４的开关相位与Ｖ ３刚好 相反，起同步整流作用，以提高电路的转换工作效率。ｖ ２和 Ｃ ６组成一个自举电路，当Ｖ ４导通时，ＶＬ电压经Ｖ ２向白
ｏｆ ｄｉｖｅｒｓｅ ｂａｋｅｒｉｅｓ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｗｅ ｃａｎ ｃｈａｒｇｅ ｗｈａｔｅｖｅｒ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ ｂａｔｔｅⅣｉｎ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｌｍ４ ｃｅｌｌｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ＭＡＸ ７４５
ｃｈｉｐ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ３００ ｋＨｚ，ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｕｐ ｔｏ ７５％ａｎｄ ４ Ａ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ．Ｓｏ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅｒ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｆｌｅｅｔｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ ｂａｆｆｅｒｙ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒｅａｃｈ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ９０％ａｂｏｖｅ．Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｉｎ
ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＭＡＸ ７４５ ｃｈａｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ ｉｓ ｃｏｎｃｉｓｅ，ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｉｔ ｃａｎ
ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｍａｌｌ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ ｂｙ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｔａｂｌｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ ｂａｆｆｅｒｙ；ｃｈａｒｇｅｒ；ＭＡＸ ７４５ ｃｈａｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ
当电池电压达到充电电压设定值时，电压误差放大器 ＧＭＶ占主导地位，此时ＢＡＴＴ端与ＧＮＤ端之间的取样电压 加到电压误差放电器ＧＭＶ的反相输入端，与加在同相端的 充电电压设置值Ｖ－圳进行比较后输入ＰＷＭ中，以改变ＰＷＭ 的输出脉冲宽度，控制两个外接ＭＯＳ管的导通与关断时间， 使充电电压稳定不变，充电器进入恒压充电状态。
Ｖ １——隔离二极管； Ｖ２、Ｖ ５——肖特基二极管；
ｖ ３——＿Ｎ沟道的主开关ＭＯＳ管； Ｖ ４——Ｎ沟道的同步整流ＭＯＳ管； Ｒ １～Ｒ４——分压电阻； Ｒ ５——ＲＣ网络补偿电阻；
Ｒ。。Ｅ＿一取样电阻；
Ｃ ｌ、Ｃ ２、Ｃ ７——电解电容； ｃ ３～ｃ ６——瓷片电容； Ｌｌ——电感
图２ ＭＡＸ ７４５芯片设计的充电器控制原理图
对便携式计算机（简称便携机）而言，一般要求电池供电 时间维持在一定的时间内，且越长越好。根据便携机的功耗， 内置的电池都须经过多次串并后组成容量较大的电池组才能 满足其使用要求。考虑便携机的实际使用情况，充电器不但要 有大电流充电能力和高的转换效率，而且体积、质量及环境适 应能力也是设计者要考虑的内容之一。本文介绍的充电器采 用锂离子蓄电池专用控制芯片ＭＡＸ ７４５进行设计，其主要特 点是通过设置不同的充电电压可以对１～４节任意相串的锂 离子蓄电池组进行充电。且该充电器的最大充电电流可达４ Ａ，充电电压精度高于０．７５％，工作频率为３００ ｋＨｚ，转换效率 大于９０％，故充电器各器件的体积可以做得很小，电路设计简
ＤＬｏ一同步整流ＭＯＳ管驱动端；
ＬＸ——接主开关ＭＯＳ管源极；
ＤＢＨＳＩ卜—主—开主关开Ｍ关ＯＭＳＯ管Ｓ管驱驱动动电端压；输入端；
ｓＴＡＴｕＳ——充电状态指示端，通过外围电路可指示充电器处于恒 流充电状态还是恒压充电状态；
ＰＧＮ口一功率地；
ＶＬ——芯片内部电源电压端；
ＲＥ卜一基准电压端
图１锂离子蓄电池专用控制芯片ＭＡＸ ７４５内部框图 Ｆｉｇ．１ Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒａｍｅ ｍａｐ ｏｆ ＭＡＸ ７４５ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ
２．１充电电压设计
电池组充电电压极限值ＶＢＡ耵由设置的电池节数ｎ。和
充电电压ｖ函来决定。要对１～４节不同数量的串联电池进
行充电时，可根据表１中ＣＥＬＬＯ和ＣＥＬＬＩ端的不同连接方
１．２基本工作原理
ＭＡＸ ７４５芯片内部主要由基准电压源、电流型脉宽调制 器ＰＷＭ、电流误差放大器ＧＭＩ、电压误差放大器ＧＭＶ等部 分组成。ＰＷＭ控制器的核心是一个多输入比较器，该比较器 将３个输入信号相加，以调节开关信号脉冲的宽度，从而满足 充电电压和电流的设定值。３个信号分别是电流取样放大器 的输出电压、ＧＭＶ或ＧＭＩ误差放大器的输出电压、确保电流 控制回路稳定的斜率补偿信号。
目前锂离子蓄电池充电器主要有３种形式：线性式、脉冲 收稿日期：２００６—０５—１４ 作者简介：金俊（１９６３一），女，上海市人，工程师．主要研究方向 为开关电源。 Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＪＩＮ Ｊｕｎ（１ ９６３－一），ｆｅｍａｌｅ，ｅｎｇｉｎｅｅｒ．
式和开关式。线性式效率低、充电电流小，而脉冲式对输入电 流有较高的要求，鉴于这些因素它们一般用于充电电压较低 的电池中。而开关式充电器由于效率高、充电电流大等特点， 适合于在较高电压、较大容量的电池组中使用。
基于便携机的锂离子蓄电池充电器的设计
金俊，邵宗良 （华东计算技术研究所，上海２００２３３）
摘要：为了满足不同便携式计算机中锂离子蓄电池组对充电器的需求。介绍了如何运用锂离子蓄电池专用充电控制芯 片ＭＡＸ ７４５进行充电器的设计。首先介绍了该充电控制芯片的拓朴结构及锂离子蓄电池所要求的先进行恒流充电后 进行恒压充电的控制机理；后阐述了针对不同电池组的要求进行充电电压、充电电流及最小输入电压等参数的设计， 以实现对１～４节任意相串的锂离子蓄电池组进行充电的目的。由于ＭＡＸ ７４５芯片内含国际上先进的同步整流技术， 工作频率为３００ ｋＨｚ、最大充电电流可达４ Ａ、充电电压精度高于０．７５％。所以此充电器不但可快速、精确地完成对锂 离子蓄电池组的充电，而且其转换效率高达９０％以上。实际应用证明，用ＭＡＸ ７４５控制芯片设计的充电器电路简洁、 安全、可靠．能满足便携式计算机所需的大电流、高精度、体积小、质量轻的要求。 关键词：便携式计算机；锂离子蓄电池；充电器；ＭＡＸ ７４５充电控制芯片 中图分类号：ＴＭ ９１２．９ 文献标识码：Ａ文章编号：１００２—０８７ Ｘ（２００６）０８—０６７２—０５
Ｆｉｇ．２
Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ＭＡＸ ７４５ ｃｈｉｐ
万方数据
６７３
２００６．８ Ｖ０１．３０ Ｎｏ．８
举电容Ｃ ６充电，由于Ｃ ６一端与ＬＸ端相连，所以主开关驱 动器输出端（ＤＨＩ）可使Ｖ ３的栅极电压升高到ＢＳＴ端电压 值，因该电压高于输入电源电压，因此可进一步加强ｖ ３管的 开关导通。肖特基二极管Ｖ ５可以减小同步整流ＭＯＳ管在开 关死区时间内因ＭＯＳ管中寄生二极管导通而产生的功耗，增 加Ｖ ５管后可挽回ｉ％左右因转换而损失的效率。在ＣＣＩ端 和ＣＣＶ端上外接的电路可以分别补偿电流误差放电器和电 压误差放电器的特性，以提高充电电流和电压的稳定性；Ｖ １ 的作用是防止因ｖ凶无输入时锂离子蓄电池组经Ｌ １向 ＭＡＸ ７４５芯片倒灌而引起芯片损坏。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ
ＪＩＮ Ｊｕｎ，ＳＨＡＯ Ｚｏｎｇ—ｌｉａｎｇ ｒ Ｅａｓｔ－Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３３．Ｃｈｉｎａ Ｊ
锂离子蓄电池自１９９０年问世以来，因其容量大、质量轻、 无记忆效应等卓越性能得到了迅猛发展，现已广泛应用于便 携式计算机、移动通信等各领域中。但锂离子蓄电池的不足之 处在于对其充电器的要求比较苛刻，为了保证电池的安全，充 电器必须先根据电池组的不同要求设定不同的充电电压和电 流，并使电路先进行恒流充电再进行恒压充电的控制。另外， 为了有效利用电池容量，还须将锂离子蓄电池电压充电至最 大值，但是过压充电又会造成电池的损坏，故要求充电器还须 具有较高的控制精度（精度高于１％）。由此可见，充电控制器 的安全高效设计对锂离子蓄电池的安全可靠起着关键的作 用。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ¨ｔｈｉｕｍ—ｉｏｎ ｂａｋｅｒｙ ｉｎ ｄｉｖｅｒｓｅ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅｒ．ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｃｈａｒｇｅｒ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ ｂａｒｅｒｙ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｉｖｅ ｃｈａｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ ＭＡＸ ７４５．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ｃｏｎ－ ｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｈａｒｇｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ．Ｔｈｅｎ ｉｔ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｓ ｃｈａｒｇｅ ｖｏｌｔａｇｅ．ｃｈａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｍｉｎｉｍｕｍ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｅｔｃ．ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ
ＢＡＴ卜电池的电充压电采电样流；输入端和充电电流采样负输入端；
ＣＳ——充电电流采样正输入端；
ＳＥＴ卜一充电电流数值的设置端； ＣＣ卜一电流调节回路的补偿端；
ＶＡＤＪ——电压调整设置端；
ｃｃ、，－一电压调节回路的补偿端；
ＣＥＬＬｌ，ｃＥＬＬ０——电池节数的设置端； ＴＨＭ／ｓⅧ）Ｎ——温度取样信号输入端，也可用作关机控制端； Ｇ１虹卜—＿ｆ言号地；
２应用设计
本充电器通过设置不同的充电电压可对１～４节串联的
锂离子单体蓄电池进行充电。由于各单体电池之间性能的差 异，一般在电池组组装之前须对单体电池进行严格的测试和 配对，使同组内的电池性能尽量相同，但即使这样它们之间仍 会产生一定的容量失配问题，故还须将电池组内各单体电池 进行均衡处理。
因本便携机中配套的电池组其厂家已对电池进行了均衡 处理，故在此只针对充电器的设计而暂不对电池组内部均衡 问题展开讨论。