鋰離子電池充電需要精確的電壓檢測

鋰離子（Li-Ion）電池在便攜式系統中越來越受歡迎，因為它們在與舊的鎳鎘和鎳氫化學品相同的尺寸和重量下增加了容量。例如，配備鋰離子電池的便攜式計算機的工作時間可能比配備鎳氫電池的類似計算機更長。然而，設計鋰離子電池系統需要特別注意充電電路，以確保電池快速、安全和完全充電。

新型電池充電IC ADP3810專為控制1至4節鋰離子電池的充電而設計。提供四種高精度固定最終電池電壓選項（4.2 V、8.4 V、12.6 V 和 16.8 V）;它們保證了±1%的最終電池電壓規格，這對于鋰離子電池充電非常重要。配套器件ADP3811與ADP3810類似，但其最終電池電壓可由用戶編程，以適應其他類型的電池。兩款IC均精確控制充電電流，實現1安培以上的電流快速充電。此外，它們均具有一個精密 2.0V 基準電壓源和一個用于隔離應用的直接光耦合器驅動輸出。

鋰離子充電：鋰離子電池通常需要恒流恒壓 （CCCV） 類型的充電算法。換句話說，鋰離子電池應以設定的電流水平（通常為 1 至 1.5 安培）充電，直到達到其最終電壓。此時，充電器電路應切換到恒壓模式，并提供將電池保持在最終電壓（通常為每節電池4.2 V）所需的電流。因此，充電器必須能夠提供穩定的控制回路，以將電流或電壓保持在恒定值，具體取決于電池的狀態。

為鋰離子電池充電的主要挑戰是在不過度充電的情況下實現電池的全部容量，這可能會導致災難性故障。幾乎沒有出錯的余地，只有±1%。過度充電超過 +1% 可能會導致電池故障，但充電不足超過 1% 會導致容量降低。例如，鋰離子電池充電不足僅 100 mV（2.4 V 鋰離子電池為 -4.2%）會導致大約 10% 的容量損失。由于誤差空間很小，因此需要對充電控制電路進行高精度處理。為了達到這種精度，控制器必須具有精密基準電壓源、低失調高增益反饋放大器和精確匹配的電阻分壓器。所有這些組件的組合誤差必須導致總誤差小于 ±1%。結合這些元件的ADP3810保證了±1%的整體精度，使其成為鋰離子電池充電的絕佳選擇。

ADP3810和ADP3811：圖1顯示了簡化CCCV充電器電路中ADP3810/3811的功能圖。二”gm“ 放大器（電壓輸入、電流輸出）是 IC 性能的關鍵。GM1 通過分流電阻 R 檢測和控制充電電流 .CS，GM2 感應并控制最終電池電壓。它們的輸出以模擬“OR”配置連接，并且兩者都設計為它們的輸出只能拉起公共 COMP 節點。因此，電流放大器或電壓放大器在任何給定時間都控制充電環路。COMP 節點由”gm“輸出級（GM3），其輸出電流直接驅動DC-DC轉換器控制輸入（在隔離應用中通過光耦合器）。

圖1.簡化電池充電電路中的ADP3810/3811框圖

ADP3810內置精密薄膜電阻，可精確分壓電池電壓，并將其與內部2.0 V基準電壓源進行比較。ADP3811不包括這些電阻，因此設計人員可以根據以下公式使用外部電阻對任何最終電池電壓進行編程。緩沖放大器提供高阻抗輸入，以使用 VCTRL 輸入來設置充電電流，欠壓鎖定 （UVLO） 電路可確保平穩啟動。

要了解“OR”配置，假設充電器中插入了完全放電的電池。電池的電壓遠低于最終充電電壓，因此 GM2 的 VSENSE 輸入（連接到電池）使 GM2 的正輸入遠低于內部 2.0V 基準電壓源。在這種情況下，GM2 想拉低 COMP 節點，但它只能拉高，因此它在 COMP 節點上沒有影響。由于電池沒電了，充電器開始增加充電電流，電流環路控制。充電電流在 0.25 歐姆分流電阻器 （RCS） 上產生負電壓。該電壓由GM1通過20千歐姆電阻（R3）檢測。在平衡時，（我負責R.CS）/R3= -V按/80科姆。因此，充電電流保持在

如果充電電流趨于超過編程電平，則 V.CSGM1的輸入強制為負，這將GM1的輸出驅動為高電平。這反過來又拉起了COMP節點，增加了來自輸出級的電流，減少了DC/DC轉換器模塊的驅動（可以使用各種拓撲結構實現，例如反激式、降壓級或線性級），最后降低充電電流。該負反饋完成了充電電流控制環路。

當電池接近其最終電壓時，GM2 的輸入進入平衡狀態?，F在GM2將COMP節點拉高，輸出電流增加，導致充電電流降低，保持V意義和V裁判平等。充電回路的控制已從 GM1 更改為 GM2。由于兩個放大器的增益非常高，因此從電流到電壓控制的過渡區域非常清晰，如圖2所示。該數據是在圖10所示的離線充電器的3 V版本上測量的。

圖2.CCCV充電器ADP3810的電流/電壓轉換

完整的離線鋰離子電池充電器： 圖3顯示了使用ADP3810/3811的完整充電系統。這款離線充電器采用經典的反激式架構，打造緊湊、低成本的設計。該電路的三個主要部分是初級側控制器、功率FET和反激式變壓器以及次級側控制器。本設計使用直接連接到電池的ADP3810，以2.8至4 A的可編程充電電流將0節鋰離子電池充電至1.1 V，輸入范圍為70至220 V ac，適用于通用工作。這里使用的初級側脈寬調制器是行業標準的3845，但也可以使用其他PWM組件。充電器的實際輸出規格由ADP3810/3811控制，保證最終電壓在±1%以內。

圖 3.完整的離線鋰離子電池充電器

ADP3810/3811控制輸出的電流驅動直接連接到光耦合器的光電二極管，無需額外電路。其 4mA 輸出電流能力可驅動各種光耦合器 - 此處使用 MOC8103。光電晶體管的電流流過RF，在 3845 的 COMP 引腳上設置電壓，從而控制 PWM 占空比。受控開關穩壓器的設計使得來自光耦合器的LED電流增加會降低轉換器的占空比。

雖然來自ADP3810/3811的信號控制平均充電電流，但初級側應具有開關電流的逐周期限制。該電流限制的設計必須使次級電路或光耦合器發生故障或故障時，或在啟動期間，初級電源電路組件（FET和變壓器）不會受到過大壓力。當次級側V抄送ADP2/7升至3810.3811 V以上時，接管并控制平均電流。初級側電流限值由連接在功率 NMOS 晶體管 IRFBC1 和地之間的 6.30 歐姆電流檢測電阻設置。

ADP3810/3811是副邊的核心，用于設置充電器的整體精度。整流只需要一個二極管（MURD320），不需要濾波電感。當輸入電源斷開時，二極管還可以防止電池反向驅動充電器。一個 1000μF 電容器 （CF1） 可在沒有電池的情況下保持穩定性。RCS檢測平均電流（見上文），ADP3810直接（或ADP3811通過分壓器）連接到電池，以檢測和控制其電壓。

通過該電路，實現了完整的離線鋰離子電池充電器。反激式拓撲將 anAC/DC 轉換器與充電器電路相結合，提供緊湊、低成本的設計。該系統的精度取決于次級側控制器ADP3810/3811。該器件的架構在其他電池充電電路中也運行良好。例如，通過將ADP3810和ADP1148配對，可以輕松設計標準DC-DC降壓型充電器。也可以僅利用ADP3810和外部調整管設計簡單的線性充電器。在所有情況下，ADP3810的固有精度控制充電器，并保證鋰離子電池充電所需的±1%最終電池電壓。

審核編輯：郭婷