MAX8713：簡(jiǎn)化多化學(xué)體系SMBus電池充電器的卓越之選

各位電子工程師們，今天要和大家深入探討一款功能強(qiáng)大的電池充電器——MAX8713。這款充電器在多化學(xué)體系電池充電領(lǐng)域表現(xiàn)出色，能有效簡(jiǎn)化智能充電器的設(shè)計(jì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX8713是一款多化學(xué)體系電池充電器，它最大的亮點(diǎn)在于僅需最少數(shù)量的外部組件就能構(gòu)建智能充電器。其通過Intel System Management Bus (SMBus?) 來精準(zhǔn)控制充電電壓和充電電流，采用恒關(guān)斷時(shí)間降壓拓?fù)渑c同步整流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效率充電。

特點(diǎn)總結(jié)

1. 強(qiáng)大的充電能力：能夠?yàn)?至4節(jié)串聯(lián)的鋰離子 (Li+) 電池充電，且充電電流超過2A，還可通過感測(cè)電阻進(jìn)行調(diào)整。
2. 高效驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：驅(qū)動(dòng)n通道MOSFET，提高了效率并降低了成本。
3. 高精度電流檢測(cè)：低失調(diào)充電電流感測(cè)放大器搭配小阻值感測(cè)電阻，實(shí)現(xiàn)高精度充電電流監(jiān)測(cè)。
4. 小巧封裝與廣泛應(yīng)用：采用節(jié)省空間的24引腳4mm x 4mm薄型QFN封裝，可在 -40°C 至 +85°C 的寬溫度范圍內(nèi)工作。同時(shí)，它有對(duì)應(yīng)的評(píng)估套件，能縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，適用于手機(jī)車載套件、數(shù)碼相機(jī)、PDA和平板電腦、筆記本電腦以及各種帶可充電電池的便攜式設(shè)備。

技術(shù)對(duì)比反思

在多化學(xué)體系電池充電器領(lǐng)域，類似產(chǎn)品眾多。與其他產(chǎn)品相比，MAX8713通過減少外部組件數(shù)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。但我們也需要思考，在追求簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，是否會(huì)在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景下犧牲一些靈活性呢？

二、電氣特性

充電電壓調(diào)節(jié)

對(duì)電池調(diào)節(jié)電壓精度進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，不同的充電電壓設(shè)置下，精度誤差控制在一定范圍內(nèi)，如充電電壓設(shè)置為 0x20D0 時(shí)，精度為 ±0.6%。同時(shí)，明確了不同充電電壓設(shè)置和輸入電壓下的電池滿充電壓。

充電電流調(diào)節(jié)

精度同樣出色，不同充電電流設(shè)置下，符合電流精度也在可控范圍內(nèi)。例如，充電電流設(shè)置為 0x07e0 時(shí)，符合電流精度為 ±3%。還規(guī)定了 CSIP 至 CSIN 的滿量程電流感測(cè)電壓、電池充電電流感測(cè)電壓等參數(shù)。

電源與線性穩(wěn)壓器

DCIN 和 DCSNS 的輸入電壓范圍為 7.5V 至 28.0V，同時(shí)給出了它們的欠壓鎖定觸發(fā)點(diǎn)、靜態(tài)電流等參數(shù)。LDO 輸出電壓在無負(fù)載時(shí)為 5.25V 至 5.55V，負(fù)載調(diào)整率也有相應(yīng)規(guī)定。

開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器的關(guān)斷時(shí)間與 VBST - VLX、VBATT 和 RFREQ 有關(guān)，不同條件下有不同的取值。還規(guī)定了 DLOV 供電電流、BST 供電電流、BST 輸入靜態(tài)電流、LX 輸入偏置電流、最大不連續(xù)模式峰值電流以及 MOSFET 導(dǎo)通電阻等參數(shù)。

誤差放大器

GMV 放大器跨導(dǎo)和 GMI 放大器跨導(dǎo)也在規(guī)定范圍內(nèi)，如充電電壓設(shè)置為 0x20d0 且 VBATT = 8.400V 時(shí)，GMV 放大器跨導(dǎo)為 0.0625 至 0.2500 mA/V。

SMBus 接口電平規(guī)格

明確了 SDA/SCL 的輸入低電壓、輸入高電壓、輸入偏置電流以及 SDA 輸出灌電流等參數(shù)，確保與 SMBus 的良好兼容性。

疑問與思考

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這些電氣特性參數(shù)之間相互影響。比如，充電電壓調(diào)節(jié)精度和充電電流調(diào)節(jié)精度會(huì)受到電源電壓波動(dòng)、負(fù)載變化等因素的影響。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，如何更好地權(quán)衡這些參數(shù)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求呢？

三、工作條件與設(shè)置

充電電壓設(shè)置

使用 SMBus 寫入 16 位的 ChargeVoltage() 命令來設(shè)置輸出電壓，該命令轉(zhuǎn)換為 1mV LSB 和 65.535V 滿量程電壓。不過，MAX8713 會(huì)忽略前 4 個(gè) LSB 位，使用接下來的 11 位來設(shè)置電壓 DAC。充電電壓范圍為 0 至 19.200V，超出或低于此范圍會(huì)有相應(yīng)的處理方式。初始上電時(shí)，ChargingVoltage() 會(huì)重置為零，需要發(fā)送該命令才能啟動(dòng)充電。

充電電流設(shè)置

同樣通過 SMBus 接口寫入 16 位的 ChargeCurrent() 命令來設(shè)置充電電流，該命令基于 40mΩ 電流感測(cè)電阻，轉(zhuǎn)換為 1mA 每 LSB 和 65.535A 滿量程電流。充電電流范圍為 0 至 2.016A，超出或低于此范圍也有相應(yīng)規(guī)定。初始上電時(shí)，ChargeVoltage() 和 ChargeCurrent() 值會(huì)被清除，需要發(fā)送有效命令才能啟動(dòng)充電器。

疑問與探索

在設(shè)置充電電壓和充電電流時(shí)，我們需要考慮電池的特性和應(yīng)用需求。例如，不同類型的電池對(duì)充電電壓和電流的要求不同，我們?nèi)绾胃鶕?jù)電池的具體情況來合理設(shè)置這些參數(shù)，以達(dá)到最佳的充電效果和電池壽命呢？

四、DC - DC 轉(zhuǎn)換器與控制

控制方案

采用偽固定頻率、電流模式控制方案，并具備逐周期電流限制。控制器的恒定關(guān)斷時(shí)間 (tOFF) 根據(jù) VDCIN、VBATT 和 RFREQ 計(jì)算得出，最小值為 300ns。其工作由四個(gè)比較器決定，分別為 IMIN、CCMP、IMAX 和 ZCMP 比較器。

不同工作模式

1. 連續(xù)導(dǎo)通模式：當(dāng)有足夠的充電電流時(shí)，電感電流不會(huì)過零，進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式。調(diào)節(jié)器在不在降壓狀態(tài)（VBATT < 0.88 × VDCIN）時(shí)以 400kHz 頻率開關(guān)?？刂破魍ㄟ^控制高側(cè)和低側(cè) MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)充電過程的控制，同時(shí)逐周期電流限制可有效防止過流和短路故障。
2. 不連續(xù)導(dǎo)通模式：當(dāng) LVC 控制點(diǎn)輸出低于 100mV 時(shí)，進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式，確保電感電流始終為正。在這種模式下，直到 LVC 電壓上升到 100mV 以上才會(huì)開始新的周期。

深入思考

DC - DC 轉(zhuǎn)換器的不同工作模式適用于不同的充電場(chǎng)景。在實(shí)際應(yīng)用中，我們?nèi)绾胃鶕?jù)電池的充電狀態(tài)和負(fù)載情況，自動(dòng)切換工作模式，以提高充電器的效率和性能呢？

五、補(bǔ)償與設(shè)計(jì)

補(bǔ)償環(huán)路

充電電壓和充電電流調(diào)節(jié)環(huán)路分別在 CCV 和 CCI 進(jìn)行獨(dú)立補(bǔ)償。CCV 環(huán)路補(bǔ)償需要考慮充電器輸出電容的 ESR、等效負(fù)載電阻等因素，通過設(shè)置合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。CCI 環(huán)路補(bǔ)償相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)單極點(diǎn)即可。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. MOSFET 選擇：根據(jù)最大所需充電電流選擇 n 通道 MOSFET，需要考慮損耗平衡、導(dǎo)通電阻、開關(guān)時(shí)間等因素。
2. 電感選擇：根據(jù)充電電流、紋波和工作頻率選擇合適的電感，電感的飽和電流額定值要滿足要求。
3. 電容選擇：輸入電容要滿足紋波電流要求，輸出電容要吸收電感紋波電流并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

疑問與挑戰(zhàn)

在補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，如何準(zhǔn)確地測(cè)量和計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，以確保補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的有效性？在選擇 MOSFET、電感和電容時(shí)，如何在性能和成本之間找到最佳平衡點(diǎn)？

六、布局與封裝

布局要點(diǎn)

良好的 PCB 布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)指定的抗噪聲能力、效率和穩(wěn)定性能至關(guān)重要。要先放置高功率連接，確保電流感測(cè)電阻的準(zhǔn)確測(cè)量，減少高電流路徑的接地和其他走線長(zhǎng)度。將 IC 和信號(hào)組件合理放置，保持主開關(guān)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離敏感模擬組件。同時(shí)，要縮短柵極驅(qū)動(dòng)走線長(zhǎng)度，并將其遠(yuǎn)離電流感測(cè)線和 REF。

封裝信息

采用 24 引腳 4mm x 4mm 薄型 QFN 封裝，在給出了封裝的詳細(xì)尺寸信息，同時(shí)提醒注意封裝圖紙可能未反映最新規(guī)格，可通過官網(wǎng)獲取最新信息。

思考與優(yōu)化

在布局過程中，如何應(yīng)對(duì)不同的 PCB 層數(shù)和尺寸要求，以實(shí)現(xiàn)最佳的布局效果？封裝的尺寸和引腳布局在一定程度上影響了電路的設(shè)計(jì)和性能，我們是否有更好的方法來優(yōu)化這種影響呢？

綜上所述，MAX8713是一款功能強(qiáng)大、性能出色的多化學(xué)體系電池充電器。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要充分了解其各項(xiàng)特性和工作原理，根據(jù)具體需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳的充電效果和系統(tǒng)性能。各位工程師在使用過程中，也要不斷探索和實(shí)踐，解決遇到的各種問題。你在電池充電器設(shè)計(jì)中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。