便携式仪器需要高性能充电器

近几年来，电池技术有了长足的发展，其中锂离子和锂聚合物电池最为流行。为了使这些电池获得最佳性能，充电器技术必须跟上电池技术的发展。

笔记本电脑所使用的电池，无论大小、重量还是寿命都很关键。由于锂离子和锂聚合物相似，所以它们的充电方式几乎相同，主要区别在于端电压和充电电流。

锂离子电池的传统充电方式是采用恒流和恒压。当电池的电压较低时，典型的充电周期开始是用恒流充电方式。当电池电压上升到指定限度时，充电器转为恒压充电，该方式一直持续到充电电流减小为零，这时电池充电完毕。在恒压充电阶段，电流按指数规律下降，该指数与电池电阻以及和该电池相串连的所有电阻有关（和通过一电阻对电容充电的过程很类似）。由于充电电流按指数规律下降，所以完成充电需要相当长的时间。

对充电电流的限制不必象对充电电压那样准确。对电压的限制非常关键：电池的电压越高，所储存的能量就越多。但是，过高的电压会损坏电池。因此，加在普通锂离子充电器上的电压，上下浮动最好不要超过1%。

即使当以很大的恒流充电（超过1C，其中C是用Ahrs衡量的电池容量），由于恒流充电的时间与整个充电过程相比是很短的，因此，增加充电电流对整体充电时间几乎没有影响。而主要由电池的物理特性决定的恒压充电方式，则占用了大部分的充电时间。

锂离子电池的一种充电方式就是利用线性充电器(如图1所示)，一般情况下，该充电器的充电电压或电流来自于交流适配器的直流输出。控制器(IC1)驱动外部PNP型晶体管以产生充电电压和充电电流。在该电路中，PIC控制器(IC2)通过其PWM输出来控制充电电流和充电电压。改变充电电流和电压，该控制器可以适用于不同类型的电池和化学物质。在很多系统中，控制器上的PWM其它输出可用来调节充电器。如果充电器仅设为适合于某一种电池类型，通过外部电阻调节充电电压和充电电流这一方式，可以进一步简化电池的设计。

线性充电器相对较小并且简单，但却具有较高功耗的缺点。如果一个典型的锂离子电池的电压范围为2.7～4.2V，为确保充足的输入电压，使蓄电池的电压达到4.2V，则源电压必须超过4.5V。因此，一个典型廉价的、输出电压波动为10%的交流适配器，其输出电压的范围必须为4.5～5.5V。在输入电压最大和电池电压最小的时候，PNP型导通晶体管所产生的损耗最大。对于一个典型的波动为10%的1A充电电流，充电器的功耗可能超过3W。

如果这3W功率耗散在一个小型、便携式设备内，如手机、个人数字助理(PDA)等，则能造成相当大的温度上升。这可能会给电子设备、终端用户带来不利的影响。可以采用外部充电器或支架来减少功耗，但是这些措施也许不切实际。在这种情况下，开关模式的充电器提供了有效的解决方法(参见图2)。

图2中的IC采用两个外置的N沟道MOSFET场效应管对源电压进行斩波，然后将斩波后的电压进行滤波，产生所需要的充电电流或电压。这些MOSFET场效应管的调整元件相当于开关。当该元件处于“开”状态，电流通过时有很小的压降；当处于“关”状态时，没有电流通过。这一作用大大减小了传输晶体管的功耗（与线性充电器的功耗相比）；并且当源电压、电池电压和充电电流发生变化时，功耗几乎没有变化。

该电路具备较高的效能（在大部分的工作范围内高达90%以上），在很大的源电压、电池电压和充电电流范围内产生较少的功耗。开关模式充电器的功耗降低是以增加尺寸和复杂程度为代价换取的。

恒流脉冲充电是锂离子电池一种全新的充电方式，具有线性充电器和开关模式充电器两者的优点。该方式采用限流交流适配器，限制充电电流的大小。当电池电压达到规定的电压限额时，电流源在“开”、“关”两状态间切换，从而给蓄电池提供所需的平均电流，而不会超过电压值。这种状态间切换，如同开关模式充电器，所以功耗很小。而且，由于不需要输出滤波器，所以该电路和线性充电器一样简单。在限流模式下(取决于所使用的交流适配器），功耗可能会增加；但是如果温度不超过最大安全值，就不会对电池和负载造成不良影响。

采用限流适配器的充电器其电路中P沟道MOS场效应管(参见图3)将适配器电流接入电池。由于IC在1mMax封装内，并且外置MOSFET封装能够做到和SOT-23一样小，所以该电路与开关模式充电器相比简单得多。用两个电容、一个电阻、MAX1679和一个外置的MOSFET就可以制作一个完整的充电器(其中RADJ、LED发光二极管、肖特基和热敏电阻都是可选器件）。

该器件的其它特性避免了可能减少蓄电池使用寿命的因素。当电池过度放电(<2.5V/cell)后，快速充电就会减小其使用寿命。在充电以前，MAX1670将监测电池电压。必要的情况下，先用内部5mA的电流源将电池充电至2.5V以上，然后再进行恒流充电。另一个输入端子与热敏电阻相连，用来检测电池的温度。如果锂离子电池在可接受的温度范围(通常在0～50℃)以外充电，则电池的使用寿命就会变短。当检测到不可接受的温度时，停止充电，直到温度恢复到可接受的水平为止。MAX1679还含有电流监视输出端，直接驱动发光二极管，用来显示充电进程。

由于便携式仪器变得更小、更复杂,为了更为有效地使用电池，充电器极为关键。将功耗耗散在仪器和电池之外，将有助于改善器件并使电池更好地工作。尽管传统的线性和开关模式充电器还有其用武之地，但是限流脉冲充电器优化了充电器的尺寸，改善了便携式设备的性能。■（王虎）