智能充电管理集成电路MAX1870简介及应用

MAX1870是Maxim公司推出的升／降压型智能电池充电管理集成电路，可以在电池电压高于或低于适配器电压的情况下。用于对2～4节锂离子电池的充电控制。该器件内嵌有用户可编程的8位RISC微控制器内核和多通道数据获取单元电路、高速SPI接口电路、以及主／从SMBus接口电路，并可实现对锂离子电池的电量检测。

1 MAX1870A概述

MAX1870A芯片具备为Li+、NiMH和NiCd电池充电所需的所有功能。它采用高效H桥拓扑结构的DC-DC转换器来控制充电电压和电流。与传统H桥控制器相比，这种专有的控制方案具有更高的效率，能够使用更小的电感，并可工作在高于和低于电池电压的输入电压下。MAX1870A内部集成的模拟控制输入可以限制AC适配器电流、充电电流和电池电压。而模拟输出(IINP)则可提供一个正比于输入电源电流的输出电流。

MAX1870A内部还集成了一个电压调节环路(CCV)和两个电流调节环路(CCI和CCS)。其中CCV是电池电压调节环路的补偿点，CCI和CCS则分别是电池充电电流环路和供电电流环路的补偿点。MAX1870A可根据系统负载需求来降低电池充电电流，从而调节适配器电流。

2 MAX1870A的引脚功能

图1所示是MAX1870A的引脚排列图，各引脚的功能说明如表1所列。



3 MAX1870A的充电设置

3.1 充电电压的设置

MAX1870A能够精确地调节充电电压。它主要利用VCTL的电压来调节每节电池的电压门限。在0～VREFIN范围内设置VCTL的电压，也可以在10％的范围内调节单节电池的充电电压，或者将VCTL和LDO互连，以实现每节电池4.2 V的默认设置。MAX1870智能充电集成电路中的有限范围调节特性，可有效降低充电电压对外接电阻容差的敏感度。当利用±1％的电阻来对基准电压进行分压并形成VCTL的电平时，充电电压的总精度会优于±1％。一般情况下，每节电池的端电压与电池的化学成分和结构有关(具体可咨询电池制造商以确定该电压)，有时候也可以根据以下公式来计算电池电压：


其中，NCELLS表示由CELLS选定的电池数量。VCTL与REFIN上的电压成比例关系，因而可在使用电阻分压器时提高电路精度。按照表1所列的方法连接CELLS，即可对两节、三节或四节电池进行充电。电池数量一般可由硬件设定，也可由软件控制。设计时可由内部误差信号放大器(GMV)对电压进行调节。在CCV和GND间串联一只10 kΩ电阻和一只0.01μF电容，可以对电池电压环路进行补偿。

3.2充电电流的设置

利用ICTL以及CSIP和CSIN之间的电流检测电阻RS2来设置最大充电电流。同时可根据VICTL／VREFIN的比例关系来设置电流阀值。一般情况下，可根据以下公式设定电池充电电流：

其中，VCSIT表示满刻度充电电流阀值(典型值为73 mV)。ICTL的输入范围是VREFIN／32到VREFIN。若要关断MAX1870A，则可将ICTL强制下拉到VREFIN／100以下。设计时可通过内部误差信号放大器(GMI)来对电流进行调节。在CCI与GND之间连接一只0.01μF的电容可以补偿充电电流环路。

3.3输入电流门限的设置

由墙上适配器或其它DC电源输出的总电流是系统供电电流和电池充电电流之和。当输入电流超过预定点时，MAX1870A会降低充电电流，以限制流出墙上适配器的电流。随着系统供电电流的增大，可用于充电的电流会下降。在充电电流降到零后，若系统电流继续增大，MAX1870A将无法进一步限制墙上适配器的电流。

输入源电流是MAX1870A的静态电流、充电器输入电流和系统负载电流的总和。与充电电流、负载电流相比，MAX1870A的6mA最大静态电流是非常小的。事实上，可根据以下公式来确定墙上适配器的实际电流：

其中，η表示DC-DC转换器的效率(典型值为85％～95％)，ISYS_LOAD表示系统负载电流，IADAPTER表示适配器电流，ICHARGE表示充电电流。

通过控制输入电流可降低对交流适配器的电流要求，以使系统尺寸和成本降到最小。为控制输入电流，必要时应降低充电电流，以便优先保证系统负载供电。

器件内部的放大器可将(VCSSP-VCSSN)及(VCSSP-VCSSS)之和与CLS输入设定的电压进行比较。VCLS可直接被激励，也可利用REF和GND间的分压电阻来设定。将CLS连至REF可选择最大输入电流门限为105 mV。而利用检测电阻RS1a和RS1b则可设置墙上适配器的最大允许电流。RS1a、RS1b和RS2的阻值相同。根据以下公式可计算出墙上适配器的最大电流：

其中，VCSST表示满刻度源电流检测电压阀值(典型值为105 mV)。通过内部误差信号放大器(GMS)可对输入电流进行调节。一般情况下，在CCS和GND间接一只0.01μF的电容即可补偿源电流环路(GMS)。

3.4输入电流测量

MAX1870A具有一个输入电流监视输出引脚IINP。IINP是系统电流与充电电流之和按比例缩小后的“复制品”。IINP的输出电压范围是0～3.5V。IINP上的电压与适配器输出电流的比例关系可用下式表示：

其中，IADAPTER表示AC墙上适配器提供的DC电流，GIINP表示IINP的跨导(典型值为2.8μA／mV)，R7是在IINP和地间相连的电阻。

4 MAX1870A的典型应用电路

在图2所示的MAX1870A的应用电路中，充电电压和电流固定为特定值。ICTL引脚的电压和RS2的值设定了充电电流的值。VCTL引脚的电压和CELLS的输入则可用于设定充电器的电池调节电压。CLS引脚的电压租R3、R4的阻值可用于设定输入电源的电流门限。当DC电源输入反向时，可选择二极管D1和D2来保护MAX1870A。


5 MAX1870A的主要外围器件选择

5.1 MOSFET的选择

使用MAX1870A需要一个p沟道MOSFET和一个n沟道MOSFET，一般情况下，只要具有相等或更低的导通电阻和栅极电荷，并且有足够的电压、电流和功率容量，就可替代这些元件。如果是更小功率的应用，也可按比例降低MOSFET的要求，此时可选用栅极电荷更小的MOSFET，但MOSFET的导通电阻则应同比例地增加。例如，如果实际设计只需一半的电流，则可选择导通电阻大两倍而栅极电荷只有一半的MOSFET，这样可同时保持相同或更高的效率，而其尺寸和成本却可得到降低。确认线性稳压器能驱动选定的MOSFET后，驱动一只给定的MOSFET所需的平均电流为：


5.2电感的选择

选择电感的原则应使MOSFET、电感和检测电阻中的功耗最小。为了优化电阻损耗和RMS电感电流，可将LIR(电感电流纹波)设置为0.3。由于最大阻性功率损耗一般发生在混合模式中的升压临界状态，故应选择适用于该模式的LIR。设计时可根据以下公式来选择电感：



实际上，也可采用更大的电感，但会产生降低效率的额外电阻。而太小的电感值不但会增加RMS电流，也会降低效率。

5.3输入输出电容的选择

输入电容必须满足开关电流产生的纹波电流要求(IRMS)。因纹波电流而引起的温升不应超过10℃，所选电容的纹波电流容量应大于0.5ICHG。

输出电容可优先考虑陶瓷类电容器件，其原因是陶瓷电容器件对浪涌电流具有比较强的适应性。但在输入电压为最小时，混合模式期间会产生最差的输出纹波。

6 结束语

锂离子电池的用量越来越大，其充／放电管理也成了一个很重要的问题。合理的对锂离子电池进行充，放电，对锂离子电池的使用寿命和使用安全性有重要意义。而多节锂离子电池的充／放电又存在一个平恒充／放电。充足电和不要过放电的问题。而要解决这些问题，离不开锂离子电池的充／放电管理．而采用集成的锂离子电池充／放电管理器件无疑是一个很好的方案。