使用 MAX8731A 設(shè)計(jì)智能電池充電器：技術(shù)剖析與實(shí)踐指南

在電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，電池充電器的性能至關(guān)重要，它直接影響著設(shè)備的續(xù)航能力和安全性。今天，我們將深入探討 Maxim 公司的 MAX8731A，這是一款 SMBus 可編程的多化學(xué)電池充電器，具有高精度、高效能等眾多優(yōu)點(diǎn)。

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1. 產(chǎn)品概述

1.1 主要特性

MAX8731A 是一款 SMBus 可編程的多化學(xué)電池充電器，支持對(duì) Li+、NiMH 和 NiCd 等多種類型電池的充電。它具有以下顯著特性：

• 高精度：充電電壓精度達(dá) 0.5%，輸入電流限制精度和充電電流精度均為 3%。
• 快速響應(yīng)：具備快速脈沖充電響應(yīng)和系統(tǒng)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力。
• 雙遠(yuǎn)程感應(yīng)：采用雙遠(yuǎn)程感應(yīng)輸入，可直接在電池端測量反饋電壓，減少充電時(shí)間，提高充電精度。
• 短路保護(hù)：具備逐周期電流限制和電池短路保護(hù)功能，增強(qiáng)了充電安全性。

1.2 應(yīng)用場景

該充電器適用于多種設(shè)備，如筆記本電腦、平板電腦、醫(yī)療設(shè)備以及各種便攜式可充電設(shè)備。

2. 關(guān)鍵參數(shù)與特性

2.1 電氣特性

• 充電電壓調(diào)節(jié)：提供 1.024V 至 19.200V 的充電電壓范圍，分辨率為 16mV。不同的充電電壓設(shè)置對(duì)應(yīng)不同的精度，如設(shè)置為 0x41A0 時(shí)，充電電壓為 16.716 - 16.884V，精度為 ±0.5%。
• 充電電流調(diào)節(jié)：當(dāng) RS2 = 10mΩ 時(shí)，充電電流范圍為 128mA 至 8.064A，分辨率為 128mA。充電電流精度在不同設(shè)置下有所不同，如設(shè)置為 0x1f80 時(shí)，精度為 ±3%。
• 輸入電流調(diào)節(jié)：輸入電流限制范圍為 256mA 至 11.004A，分辨率為 256mA。輸入電流精度在不同設(shè)置下也有所差異，如設(shè)置為 11004mA 或 3584mA 時(shí)，精度為 ±3%。

2.2 典型工作特性

通過一系列圖表展示了輸入電流限制誤差、IINP 誤差、充電電流誤差、電池電壓誤差等與系統(tǒng)電流、輸入電流限制設(shè)置、電池電壓等參數(shù)的關(guān)系。這些特性有助于工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中更好地理解充電器的性能，優(yōu)化充電策略。

3. 引腳說明

MAX8731A 采用 28 引腳的薄型 QFN 封裝，各引腳功能如下：

• GND（1, 12）：模擬地，直接連接到散熱片。
• ACIN（2）：交流適配器檢測輸入，連接到一個(gè)未使用的比較器輸入。
• REF（3）：4.096V 電壓參考，需用 1μF 電容旁路到地。
• CCS（4）：輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路補(bǔ)償點(diǎn)，連接 0.01μF 電容到地。
• CCI（5）：輸出電流調(diào)節(jié)環(huán)路補(bǔ)償點(diǎn)，連接 0.01μF 電容到地。
• CCV（6）：電壓調(diào)節(jié)環(huán)路補(bǔ)償點(diǎn)，串聯(lián) 10kΩ 電阻和 0.01μF 電容到地。
• DAC（7）：DAC 電壓輸出，用 0.1μF 電容旁路到地。
• IINP（8）：輸入電流監(jiān)測輸出，輸出電流與 CSSP 和 CSSN 之間的感測電流成正比。
• SDA（9）：SMBus 數(shù)據(jù)輸入/輸出，開漏輸出，需根據(jù) SMBus 規(guī)范連接外部上拉電阻。
• SCL（10）：SMBus 時(shí)鐘輸入，需根據(jù) SMBus 規(guī)范連接外部上拉電阻。
• VDD（11）：邏輯電路電源電壓輸入，用 0.1μF 電容旁路到地。
• ACOK（13）：交流檢測輸出，開漏輸出，當(dāng) ACIN 大于 REF/2 時(shí)為高阻抗。
• BATSEL（14）：電池電壓選擇輸入，高電平選擇電池 B，低電平選擇電池 A。
• FBSA（15）：電池 A 輸出電壓的遠(yuǎn)程感應(yīng)輸入，連接 100Ω 電阻到電池連接器，10nF 電容到 PGND。
• FBSB（16）：電池 B 輸出電壓的遠(yuǎn)程感應(yīng)輸入，連接 100Ω 電阻到電池連接器，10nF 電容到 PGND。
• CSIN（17）：充電電流感測負(fù)輸入。
• CSIP（18）：充電電流感測正輸入，連接 10mΩ 電流感測電阻到 CSIN。
• PGND（19）：功率地。
• DLO（20）：低端功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器輸出，連接到低端 n 溝道 MOSFET。
• LDO（21）：線性穩(wěn)壓器輸出，提供 5.4V 電源，需用 1μF 陶瓷電容旁路到 PGND。
• DCIN（22）：充電器偏置電源輸入，用 0.1μF 電容旁路到 PGND。
• LX（23）：高端功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器源連接，連接到高端 n 溝道 MOSFET 的源極。
• DHI（24）：高端功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器輸出，連接到高端 n 溝道 MOSFET 的柵極。
• BST（25）：高端功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器電源連接，連接 0.1μF 電容到 LX。
• VCC（26）：設(shè)備電源輸入，通過 RC 濾波器連接到 LDO。
• CSSN（27）：輸入電流感測負(fù)輸入。
• CSSP（28）：輸入電流感測正輸入，連接 10mΩ 電流感測電阻到 CSSN。
• BP：背面散熱片，連接到模擬地。

4. 工作原理與控制邏輯

4.1 典型應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路采用高效的同步整流降壓 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動(dòng)高端 n 溝道 MOSFET 和低端 n 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)同步整流。通過電壓調(diào)節(jié)環(huán)路（CCV）和兩個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)路（CCI 和 CCS）實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過程的精確控制。

• CCV 環(huán)路：監(jiān)測 FBSA 或 FBSB 電壓，確保電池電壓不超過設(shè)定值。
• CCI 環(huán)路：監(jiān)測電池電流，確保充電電流不超過設(shè)定的電流限制。
• CCS 環(huán)路：當(dāng)適配器電流超過輸入電流限制時(shí)，降低充電電流，優(yōu)先滿足系統(tǒng)負(fù)載需求。

4.2 充電參數(shù)設(shè)置

• 充電電壓設(shè)置：使用 SMBus 寫入 16 位的 ChargeVoltage() 命令，設(shè)置范圍為 1.024V 至 19.200V，分辨率為 16mV。
• 充電電流設(shè)置：使用 SMBus 寫入 16 位的 ChargeCurrent() 命令，當(dāng) RS2 = 10mΩ 時(shí)，設(shè)置范圍為 128mA 至 8.064A，分辨率為 128mA。
• 輸入電流限制設(shè)置：使用 SMBus 寫入 16 位的 InputCurrent() 命令，當(dāng) RS1 = 10mΩ 時(shí)，設(shè)置范圍為 256mA 至 11.004A，分辨率為 256mA。

4.3 充電超時(shí)與遠(yuǎn)程感應(yīng)

• 充電超時(shí)：MAX8731A 包含一個(gè)定時(shí)器，如果在 175s 內(nèi)未收到 ChargeVoltage() 或 ChargeCurrent() 命令，將終止充電。
• 遠(yuǎn)程感應(yīng)：采用雙遠(yuǎn)程感應(yīng)技術(shù)，可消除電池串聯(lián)阻抗的影響，減少充電時(shí)間。同時(shí)，具備安全特性，當(dāng) FBS_ 或選擇器斷開時(shí)，限制充電電壓。

5. 補(bǔ)償與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

• CCV 環(huán)路補(bǔ)償：需要一個(gè)由 CCV 和 RCV 組成的極點(diǎn) - 零點(diǎn)對(duì)，以補(bǔ)償輸出電容和負(fù)載形成的極點(diǎn)。
• CCI 環(huán)路補(bǔ)償：只需一個(gè)簡單的單極點(diǎn)來補(bǔ)償電池電流環(huán)路。
• CCS 環(huán)路補(bǔ)償：同樣只需一個(gè)單極點(diǎn)來補(bǔ)償輸入電流限制環(huán)路。

5.2 元件選擇

• MOSFET 選擇：根據(jù)最大充電電流選擇 n 溝道 MOSFET，考慮其導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和輸出電容損耗。
• 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，以實(shí)現(xiàn)最佳效率。
• 輸入電容選擇：選擇能夠滿足開關(guān)電流紋波要求的輸入電容，非鉭電容是首選。
• 輸出電容選擇：輸出電容需要吸收電感紋波電流，并具備足夠的電容和低 ESR，以確保 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。

6. 應(yīng)用信息與注意事項(xiàng)

6.1 智能電池系統(tǒng)

在現(xiàn)代智能電池系統(tǒng)中，通常使用鍵盤控制器或類似的數(shù)字智能設(shè)備來調(diào)解電池和充電器之間的通信，實(shí)現(xiàn)更靈活的充電算法。

6.2 輸入電流限制設(shè)置

根據(jù) AC 適配器的電流能力和輸入電流限制的公差來設(shè)置輸入電流限制，確保其上限不超過適配器的最小可用輸出電流。

6.3 布局與旁路

• 旁路電容：按照電路圖對(duì) DCIN、VDD、LDO、VCC、DAC 和 REF 等引腳進(jìn)行旁路電容設(shè)置。
• PCB 布局：良好的 PCB 布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)指定的抗噪性、效率和穩(wěn)定性能至關(guān)重要。遵循以下原則：
  • 優(yōu)先放置高功率連接，盡量縮短電流感測電阻的走線長度，確保精確的電流感測。
  • 保持 IC 和信號(hào)組件與主開關(guān)節(jié)點(diǎn)（LX 節(jié)點(diǎn)）遠(yuǎn)離敏感模擬組件。
  • 盡量縮短柵極驅(qū)動(dòng)走線（DHI 和 DLO）的長度，并使其遠(yuǎn)離電流感測線和 REF。
  • 靠近 IC 放置陶瓷旁路電容，電流感測輸入濾波電容直接連接到 GND 引腳。
  • 使用單點(diǎn)星形接地，將功率地和安靜地島連接在一起。

7. 總結(jié)

MAX8731A 是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的電池充電器，具有高精度、快速響應(yīng)和多種保護(hù)功能。通過合理的參數(shù)設(shè)置、元件選擇和 PCB 布局，工程師可以設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電池充電系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和電路特性進(jìn)行優(yōu)化，以充分發(fā)揮 MAX8731A 的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用 MAX8731A 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。