該電路是一款具有頻率同步功能的高壓、高效率、開關模式電池充電器。該電路適用于對諧波發射敏感的電池供電應用。

介紹

具有高靈敏度模擬前端 （AFE） 電路的電池供電設備通常必須在有源電池充電的情況下運行。設備示例包括移動軟件定義無線電、便攜式超聲醫學成像系統和可穿戴患者監測設備。根據應用的不同，AFE電路可以在200kHz至數百MHz的頻率范圍內工作。高靈敏度AFE電路可以是移動無線電中的中頻級，也可以是超聲成像設備中的相控陣收發器。當使用開關模式充電器進行有源電池充電時，充電器開關頻率會產生不必要的諧波發射，從而降低AFE靈敏度。

頻率同步的作用

頻率同步可用于控制開關諧波的位置，并最大限度地減少開關拍頻，否則會降低系統靈敏度。這種技術通常用于開關模式電源（SMPS）的負載點DC-DC調節，其中電源穩壓器與外部時鐘源同步。SMPS因其高效率而被廣泛使用，但它們帶來了獨特的排放挑戰。頻率同步解決了SMSP負載點應用中的這個問題，也可以擴展到開關模式充電器。

然而，頻率同步、高效率、開關模式電池充電器的設計選擇有限。因此，工程師經常使用低噪聲但效率低且散熱過多的線性充電器。或者，工程師可以使用效率高、不支持同步或不能在寬輸入電壓范圍內工作的次優開關模式充電器解決方案。

為電池充電

這里介紹的電路解決了電池充電中的這一需求。該電路是一款具有頻率同步功能的高壓、高效率、恒流/恒壓、開關模式鋰離子 （Li+） 電池充電器。電路性能已在24V下測試，但可在低至7V和高達44V的電壓下工作。 （44V是我實驗室電源的限制。開關頻率設定為500kHz。MAX17504降壓型DC-DC轉換器支持200kHz至2.2MHz的頻率同步。電感值可能必須針對其他頻率進行調整。

Li+電池充電需要兩步法（圖1）。

對于已放電的電池，第一步要求充電器處于恒流模式。最大充電速率可在電池制造商的數據手冊中獲得。快速充電或 1C 速率是等于電池安培小時額定值的充電電流。電池充電時，電池電壓達到指定的設定點電壓，通常為 4.2 V。此時，電池容量僅達到其最大值的65%至70%。

作為充電過程的第二步，將充電器置于恒壓模式。在恒壓模式下，充電器將僅提供足夠的電流以保持電池電壓在此設定點電壓下恒定。因此，充電電路將隨著時間的推移不斷降低充電電流，導致充電電流曲線逐漸衰減，如圖1所示。

圖1.恒流/恒壓Li+充電曲線。

電路設計

該電路的核心是 DC/DC 開關轉換器 U1（圖 2）。MAX17504具有4.5V至60V的寬輸入電壓工作范圍，可同步至200kHz至2.2MHz的外部時鐘頻率。該設計理念已經過測試，可從 24V 輸入電壓為單節 4.2V 至 2.2Ah Li+ 電池充電。當電池負載電流小于預設充電電流設定點VIchg時，充電器置于恒壓模式，積分器U3的輸出將被驅動至+Vf;因此，偏置Q1。因此，通過R4的電流將接近于零，充電電壓由（R2/R1 + 1）設定×0.9V。在恒流模式下，電流控制環路由U2和U3形成，其中充電器電流由U3引腳3上的電壓設定。U2 是一種電流檢測放大器，用于測量 RS 兩端的電流，并向 U3 形成的積分器提供誤差電壓。當U2的輸出電壓試圖超過VIchg時，積分器的輸出將降低其電壓，并開始將Q1源電流偏置到反饋節點。此操作可降低轉換器的輸出電壓，從而減少源至電池的電流。

該反饋回路將通過積分器的伺服動作，根據電池的放電狀態找到限流工作點。該電路在24V時的測試電流精度（25C時）小于1.6%。通過向VIchg施加0.450V，輸出電流設置為1.5A。VIchg 可以來自不同的來源，例如固定電壓基準或來自 MCU 或 DAC 輸出的 PWM 濾波輸出。為VIchg提供低噪聲電壓源非常重要。°

該充電器的獨特之處在于它可以將開關頻率同步到外部時鐘，并且具有較寬的輸入電壓工作范圍。當電路處于恒流模式時，電池充電電流由公式1設置。

其中，MAX4173T的CSA增益為20，R意義本電路為0.015Ω。

圖2.該電池充電器提供恒流/恒壓和頻率同步輸入。

審核編輯：郭婷