該電路為帶有頻率同步的高壓、高效、開關(guān)模式電池充電器，適用于對諧波輻射較敏感的電池供電應(yīng)用。

帶有高靈敏度模擬前端(AFE)的電池供電設(shè)備一般必須能夠在電池充電期間正常工作，例如移動式軟件無線電、便攜式超聲成像系統(tǒng)以及可穿戴病人監(jiān)護設(shè)備。根據(jù)應(yīng)用的不同，AFE電路的工作頻率范圍可能從200kHz到高達幾百MHz不等。高靈敏度AFE電路可能是移動無線電或超聲成像設(shè)備中相控陣收發(fā)器的中間頻率級。在使用開關(guān)模式充電器對電池進行充電時，充電器開關(guān)頻率會產(chǎn)生有害的諧波輻射，降低AFE靈敏度。

頻率同步的作用

頻率同步可用于控制開關(guān)諧波的分布，以及最大程度減小開關(guān)拍頻，否則會降低系統(tǒng)靈敏度。該技術(shù)通常用于負(fù)載點DC-DC穩(wěn)壓的開關(guān)模式電源(SMPS)中，電源穩(wěn)壓器與外部時鐘源同步。SMPS被廣泛使用的原因是其具有高效率，但也帶來獨特的輻射挑戰(zhàn)。頻率同步解決了SMSP負(fù)載點應(yīng)用中的這一問題，也可以延伸到開關(guān)模式充電器。

然而，頻率同步、高效、開關(guān)模式電池充電器的設(shè)計選擇是有限的。所以，工程師往往使用線性充電器，其噪聲較低，但效率較差、散發(fā)出較大的熱量。工程師也可以使用比較理想的開關(guān)模式充電器方案：效率較高但不支持同步或不能工作在較寬輸入電壓范圍。

電池充電

本文給出的電路闡述了電池充電中的這種要求。該電路為高壓、高效、恒流/恒壓、帶有頻率同步的開關(guān)模式鋰離子(Li+)電池充電器。我們在24V的電壓下對電路性能進行了測試，但是電路可以工作在從7V到44V的范圍內(nèi)(44V是我的實驗室電壓極限)。開關(guān)頻率設(shè)定為500kHz。MAX17504降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器支持200kHz至2.2MHz頻率同步。對于其它頻率，電感可能需要調(diào)節(jié)。

鋰(Li+)電池的充電需要兩個步驟(圖1)。

圖1. 恒流/恒壓Li+充電曲線。

對于已放電電池，第一步要求充電器處于恒流模式。根據(jù)電池制造商的數(shù)據(jù)資料，可獲得最大充電速率。快充或者說1C速率下，充電電流等于電池的安時額定值。隨著電池充電，電池電壓達到規(guī)定的設(shè)置點電壓，一般為4.2V；此時，電池容量僅達到其最大值的65%至70%。

2. 在充電過程的第二階段，將充電器置于恒壓模式。恒壓模式下，充電器提供足夠電流，將電池電壓恒定維持在設(shè)置點電壓。因此，充電電路將持續(xù)減小充電電流，造成充電電流曲線逐漸降低，如圖1所示。

電路設(shè)計

該電路的核心是DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器U1 (圖2)。MAX17504的輸入電壓工作范圍較寬，從4.5V至60V，可同步的外部時鐘頻率從200kHz至2.2MHz。該設(shè)計思想經(jīng)過測試，對單節(jié)4.2V、2.2AHLi+電池進行充電，輸入電壓為24V。

圖2. 該電池充電器提供恒流/恒壓模式，帶頻率同步輸入。

當(dāng)電池負(fù)載電流小于預(yù)設(shè)的充電電流值VICHG時，將積分器U3的輸出驅(qū)動為+Vf，從而將Q1偏置關(guān)斷，充電器處于恒壓模式。因此，通過R4的電流接近于0，充電電壓由下式給出：(R2/R1 + 1) × 0.9V。恒流模式下，U2和U3構(gòu)成電流控制環(huán)路，充電電流由U3的引腳3上的電壓的設(shè)定。U2為電流檢測放大器，測量RS上的電流，為U3構(gòu)成的積分器提供誤差電壓。當(dāng)U2輸出電壓要超過VICHG時，積分器輸出將降低其電壓，開始偏置Q1，向反饋節(jié)點源出電流。該動作降低了轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，從而降低源出至電池的電流。

該反饋環(huán)路通過積分器的伺服操作找到電池的放電狀態(tài)檢測限流工作點。測得該電路在24V下的電流精度(25°C)優(yōu)于1.6%。通過向VICHG施加0.450V電壓，將輸出電流設(shè)定為1.5A。VICHG可來自于不同的電源，例如固定電壓基準(zhǔn)、MCU的PWM濾波輸出或DAC輸出。一個穩(wěn)定的電壓源對于VICHG來說，非常重要。

該充電器能夠?qū)㈤_關(guān)頻率與外部時鐘同步，非常獨特，并且輸入電壓工作范圍較寬。電路處于恒流模式時，電池充電電流由式1設(shè)定。

I charge = (VICHG/CSA gain)/RSENSE (式1)

其中，MAX4173的CSA增益為20，電路中的RSENSE為0.015Ω。