智能充電管理集成電路MAX1870簡介及應用

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2～4節鋰離子電池的充電控制。該器件內嵌有用戶可編程的8位RISC微控制器內核和多通道數據獲取單元電路、高速SPI接口電路、以及主／從SMBus接口電路，并可實現對鋰離子電池的電量檢測。

1? MAX1870A概述

MAX1870A芯片具備為Li+、NiMH和NiCd電池充電所需的所有功能。它采用高效H橋拓撲結構的DC-DC轉換器來控制充電電壓和電流。與傳統H橋控制器相比，這種專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)則可提供一個正比于輸入電源電流的輸出電流。

MAX1870A內部還集成了一個電壓調節環路(CCV)和兩個電流調節環路(CCI和CCS)。其中CCV是電池電壓調節環路的補償點，CCI和CCS則分別是電池充電電流環路和供電電流環路的補償點。MAX1870A可根據系統負載需求來降低電池充電電流，從而調節適配器電流。

2? MAX1870A的引腳功能

圖1所示是MAX1870A的引腳排列圖，各引腳的功能說明如表1所列。



3? MAX1870A的充電設置

3.1? 充電電壓的設置

MAX1870A能夠精確地調節充電電壓。它主要利用VCTL的電壓來調節每節電池的電壓門限。在0～VREFIN范圍內設置VCTL的電壓，也可以在10％的范圍內調節單節電池的充電電壓，或者將VCTL和LDO互連，以實現每節電池4.2 V的默認設置。MAX1870智能充電集成電路中的有限范圍調節特性，可有效降低充電電壓對外接電阻容差的敏感度。當利用±1％的電阻來對基準電壓進行分壓并形成VCTL的電平時，充電電壓的總精度會優于±1％。一般情況下，每節電池的端電壓與電池的化學成分和結構有關(具體可咨詢電池制造商以確定該電壓)，有時候也可以根據以下公式來計算電池電壓：


其中，NCELLS表示由CELLS選定的電池數量。VCTL與REFIN上的電壓成比例關系，因而可在使用電阻分壓器時提高電路精度。按照表1所列的方法連接CELLS，即可對兩節、三節或四節電池進行充電。電池數量一般可由硬件設定，也可由軟件控制。設計時可由內部誤差信號放大器(GMV)對電壓進行調節。在CCV和GND間串聯一只10 kΩ電阻和一只0.01μF電容，可以對電池電壓環路進行補償。

3.2充電電流的設置

利用ICTL以及CSIP和CSIN之間的電流檢測電阻RS2來設置最大充電電流。同時可根據VICTL／VREFIN的比例關系來設置電流閥值。一般情況下，可根據以下公式設定電池充電電流：

其中，VCSIT表示滿刻度充電電流閥值(典型值為73 mV)。ICTL的輸入范圍是VREFIN／32到VREFIN。若要關斷MAX1870A，則可將ICTL強制下拉到VREFIN／100以下。設計時可通過內部誤差信號放大器(GMI)來對電流進行調節。在CCI與GND之間連接一只0.01μF的電容可以補償充電電流環路。

3.3輸入電流門限的設置

由墻上適配器或其它DC電源輸出的總電流是系統供電電流和電池充電電流之和。當輸入電流超過預定點時，MAX1870A會降低充電電流，以限制流出墻上適配器的電流。隨著系統供電電流的增大，可用于充電的電流會下降。在充電電流降到零后，若系統電流繼續增大，MAX1870A將無法進一步限制墻上適配器的電流。

輸入源電流是MAX1870A的靜態電流、充電器輸入電流和系統負載電流的總和。與充電電流、負載電流相比，MAX1870A的6mA最大靜態電流是非常小的。事實上，可根據以下公式來確定墻上適配器的實際電流：

其中，η表示DC-DC轉換器的效率(典型值為85％～95％)，ISYS_LOAD表示系統負載電流，IADAPTER表示適配器電流，ICHARGE表示充電電流。

通過控制輸入電流可降低對交流適配器的電流要求，以使系統尺寸和成本降到最小。為控制輸入電流，必要時應降低充電電流，以便優先保證系統負載供電。

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

其中，VCSST表示滿刻度源電流檢測電壓閥值(典型值為105 mV)。通過內部誤差信號放大器(GMS)可對輸入電流進行調節。一般情況下，在CCS和GND間接一只0.01μF的電容即可補償源電流環路(GMS)。

3.4輸入電流測量

MAX1870A具有一個輸入電流監視輸出引腳IINP。IINP是系統電流與充電電流之和按比例縮小后的“復制品”。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(典型值為2.8μA／mV)，R7是在IINP和地間相連的電阻。

4? MAX1870A的典型應用電路

在圖2所示的MAX1870A的應用電路中，充電電壓和電流固定為特定值。ICTL引腳的電壓和RS2的值設定了充電電流的值。VCTL引腳的電壓和CELLS的輸入則可用于設定充電器的電池調節電壓。CLS引腳的電壓租R3、R4的阻值可用于設定輸入電源的電流門限。當DC電源輸入反向時，可選擇二極管D1和D2來保護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p溝道MOSFET和一個n溝道MOSFET，一般情況下，只要具有相等或更低的導通電阻和柵極電荷，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用，也可按比例降低MOSFET的要求，此時可選用柵極電荷更小的MOSFET，但MOSFET的導通電阻則應同比例地增加。例如，如果實際設計只需一半的電流，則可選擇導通電阻大兩倍而柵極電荷只有一半的MOSFET，這樣可同時保持相同或更高的效率，而其尺寸和成本卻可得到降低。確認線性穩壓器能驅動選定的MOSFET后，驅動一只給定的MOSFET所需的平均電流為：


5.2電感的選擇

選擇電感的原則應使MOSFET、電感和檢測電阻中的功耗最小。為了優化電阻損耗和RMS電感電流，可將LIR(電感電流紋波)設置為0.3。由于最大阻性功率損耗一般發生在混合模式中的升壓臨界狀態，故應選擇適用于該模式的LIR。設計時可根據以下公式來選擇電感：



實際上，也可采用更大的電感，但會產生降低效率的額外電阻。而太小的電感值不但會增加RMS電流，也會降低效率。

5.3輸入輸出電容的選擇

輸入電容必須滿足開關電流產生的紋波電流要求(IRMS)。因紋波電流而引起的溫升不應超過10℃，所選電容的紋波電流容量應大于0.5ICHG。

輸出電容可優先考慮陶瓷類電容器件，其原因是陶瓷電容器件對浪涌電流具有比較強的適應性。但在輸入電壓為最小時，混合模式期間會產生最差的輸出紋波。

6 結束語

鋰離子電池的用量越來越大，其充／放電管理也成了一個很重要的問題。合理的對鋰離子電池進行充，放電，對鋰離子電池的使用壽命和使用安全性有重要意義。而多節鋰離子電池的充／放電又存在一個平恒充／放電。充足電和不要過放電的問題。而要解決這些問題，離不開鋰離子電池的充／放電管理．而采用集成的鋰離子電池充／放電管理器件無疑是一個很好的方案。