便攜式儀器需要高性能充電器

近幾年來(lái)，電池技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中鋰離子和鋰聚合物電池最為流行。為了使這些電池獲得最佳性能，充電器技術(shù)必須跟上電池技術(shù)的發(fā)展。

筆記本電腦所使用的電池，無(wú)論大小、重量還是壽命都很關(guān)鍵。由于鋰離子和鋰聚合物相似，所以它們的充電方式幾乎相同，主要區(qū)別在于端電壓和充電電流。

鋰離子電池的傳統(tǒng)充電方式是采用恒流和恒壓。當(dāng)電池的電壓較低時(shí)，典型的充電周期開(kāi)始是用恒流充電方式。當(dāng)電池電壓上升到指定限度時(shí)，充電器轉(zhuǎn)為恒壓充電，該方式一直持續(xù)到充電電流減小為零，這時(shí)電池充電完畢。在恒壓充電階段，電流按指數(shù)規(guī)律下降，該指數(shù)與電池電阻以及和該電池相串連的所有電阻有關(guān)（和通過(guò)一電阻對(duì)電容充電的過(guò)程很類似）。由于充電電流按指數(shù)規(guī)律下降，所以完成充電需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

對(duì)充電電流的限制不必象對(duì)充電電壓那樣準(zhǔn)確。對(duì)電壓的限制非常關(guān)鍵：電池的電壓越高，所儲(chǔ)存的能量就越多。但是，過(guò)高的電壓會(huì)損壞電池。因此，加在普通鋰離子充電器上的電壓，上下浮動(dòng)最好不要超過(guò)1%。

即使當(dāng)以很大的恒流充電（超過(guò)1C，其中C是用Ahrs衡量的電池容量），由于恒流充電的時(shí)間與整個(gè)充電過(guò)程相比是很短的，因此，增加充電電流對(duì)整體充電時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。而主要由電池的物理特性決定的恒壓充電方式，則占用了大部分的充電時(shí)間。

鋰離子電池的一種充電方式就是利用線性充電器(如圖1所示)，一般情況下，該充電器的充電電壓或電流來(lái)自于交流適配器的直流輸出。控制器(IC1)驅(qū)動(dòng)外部PNP型晶體管以產(chǎn)生充電電壓和充電電流。在該電路中，PIC控制器(IC2)通過(guò)其PWM輸出來(lái)控制充電電流和充電電壓。改變充電電流和電壓，該控制器可以適用于不同類型的電池和化學(xué)物質(zhì)。在很多系統(tǒng)中，控制器上的PWM其它輸出可用來(lái)調(diào)節(jié)充電器。如果充電器僅設(shè)為適合于某一種電池類型，通過(guò)外部電阻調(diào)節(jié)充電電壓和充電電流這一方式，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化電池的設(shè)計(jì)。

線性充電器相對(duì)較小并且簡(jiǎn)單，但卻具有較高功耗的缺點(diǎn)。如果一個(gè)典型的鋰離子電池的電壓范圍為2.7～4.2V，為確保充足的輸入電壓，使蓄電池的電壓達(dá)到4.2V，則源電壓必須超過(guò)4.5V。因此，一個(gè)典型廉價(jià)的、輸出電壓波動(dòng)為10%的交流適配器，其輸出電壓的范圍必須為4.5～5.5V。在輸入電壓最大和電池電壓最小的時(shí)候，PNP型導(dǎo)通晶體管所產(chǎn)生的損耗最大。對(duì)于一個(gè)典型的波動(dòng)為10%的1A充電電流，充電器的功耗可能超過(guò)3W。

如果這3W功率耗散在一個(gè)小型、便攜式設(shè)備內(nèi)，如手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)等，則能造成相當(dāng)大的溫度上升。這可能會(huì)給電子設(shè)備、終端用戶帶來(lái)不利的影響。可以采用外部充電器或支架來(lái)減少功耗，但是這些措施也許不切實(shí)際。在這種情況下，開(kāi)關(guān)模式的充電器提供了有效的解決方法(參見(jiàn)圖2)。

圖2 中的IC采用兩個(gè)外置的N溝道MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)源電壓進(jìn)行斬波，然后將斬波后的電壓進(jìn)行濾波，產(chǎn)生所需要的充電電流或電壓。這些MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的調(diào)整元件相當(dāng)于開(kāi)關(guān)。當(dāng)該元件處于“開(kāi)”狀態(tài)，電流通過(guò)時(shí)有很小的壓降；當(dāng)處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有電流通過(guò)。這一作用大大減小了傳輸晶體管的功耗（與線性充電器的功耗相比）；并且當(dāng)源電壓、電池電壓和充電電流發(fā)生變化時(shí)，功耗幾乎沒(méi)有變化。

該電路具備較高的效能（在大部分的工作范圍內(nèi)高達(dá)90%以上），在很大的源電壓、電池電壓和充電電流范圍內(nèi)產(chǎn)生較少的功耗。開(kāi)關(guān)模式充電器的功耗降低是以增加尺寸和復(fù)雜程度為代價(jià)換取的。

恒流脈沖充電是鋰離子電池一種全新的充電方式，具有線性充電器和開(kāi)關(guān)模式充電器兩者的優(yōu)點(diǎn)。該方式采用限流交流適配器，限制充電電流的大小。當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定的電壓限額時(shí)，電流源在“開(kāi)”、“關(guān)”兩狀態(tài)間切換，從而給蓄電池提供所需的平均電流，而不會(huì)超過(guò)電壓值。這種狀態(tài)間切換，如同開(kāi)關(guān)模式充電器，所以功耗很小。而且，由于不需要輸出濾波器，所以該電路和線性充電器一樣簡(jiǎn)單。在限流模式下(取決于所使用的交流適配器），功耗可能會(huì)增加；但是如果溫度不超過(guò)最大安全值，就不會(huì)對(duì)電池和負(fù)載造成不良影響。

采用限流適配器的充電器其電路中P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管(參見(jiàn)圖3)將適配器電流接入電池。由于IC在1mMax封裝內(nèi)，并且外置MOSFET封裝能夠做到和SOT-23一樣小，所以該電路與開(kāi)關(guān)模式充電器相比簡(jiǎn)單得多。用兩個(gè)電容、一個(gè)電阻、MAX1679和一個(gè)外置的MOSFET就可以制作一個(gè)完整的充電器(其中RADJ、LED發(fā)光二極管、肖特基和熱敏電阻都是可選器件）。

該器件的其它特性避免了可能減少蓄電池使用壽命的因素。當(dāng)電池過(guò)度放電(<2.5V/cell)后，快速充電就會(huì)減小其使用壽命。在充電以前，MAX1670將監(jiān)測(cè)電池電壓。必要的情況下，先用內(nèi)部5mA的電流源將電池充電至2.5V以上，然后再進(jìn)行恒流充電。另一個(gè)輸入端子與熱敏電阻相連，用來(lái)檢測(cè)電池的溫度。如果鋰離子電池在可接受的溫度范圍(通常在0～50℃)以外充電，則電池的使用壽命就會(huì)變短。當(dāng)檢測(cè)到不可接受的溫度時(shí)，停止充電，直到溫度恢復(fù)到可接受的水平為止。MAX1679還含有電流監(jiān)視輸出端，直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，用來(lái)顯示充電進(jìn)程。

由于便攜式儀器變得更小、更復(fù)雜,為了更為有效地使用電池，充電器極為關(guān)鍵。將功耗耗散在儀器和電池之外，將有助于改善器件并使電池更好地工作。盡管傳統(tǒng)的線性和開(kāi)關(guān)模式充電器還有其用武之地，但是限流脈沖充電器優(yōu)化了充電器的尺寸，改善了便攜式設(shè)備的性能?！觯ㄍ趸ⅲ?/font>