探索MAX1645B：先進(jìn)的獨(dú)立化學(xué)體系、二級(jí)輸入限流電池充電器

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，電池充電器的性能和功能對(duì)于設(shè)備的正常運(yùn)行和電池的壽命至關(guān)重要。特別是在處理多種化學(xué)體系的電池時(shí)，需要一款靈活且高效的充電器。Maxim公司的MAX1645B就是這樣一款先進(jìn)的電池充電器，它能滿足各種復(fù)雜的充電需求。本文將詳細(xì)介紹MAX1645B的特性、工作原理、應(yīng)用以及使用時(shí)的注意事項(xiàng)，為電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)充電電路時(shí)提供有價(jià)值的參考。

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一、MAX1645B概述

（一）基本特性

MAX1645B是一款高效率的電池充電器，它的獨(dú)特之處在于能夠?qū)θ魏位瘜W(xué)類型的電池進(jìn)行充電。該充電器通過Intel System Management Bus（SMBus?）來精確控制電壓和電流充電輸出，實(shí)現(xiàn)了充電過程的智能化管理。其具備的一些關(guān)鍵特性包括：

• 輸入電流限制：當(dāng)負(fù)載電流過高時(shí)，MAX1645B能夠限制充電器的電流，避免AC適配器電壓下降。
• 175s充電安全超時(shí)：內(nèi)置的安全定時(shí)器可防止“失控充電”，若在175s內(nèi)未收到充電電壓或電流命令，充電將自動(dòng)終止。
• 128mA喚醒充電：當(dāng)電池處于低電量狀態(tài)時(shí)，可通過128mA的小電流進(jìn)行喚醒充電，保護(hù)電池。
• 支持多種化學(xué)體系電池：如Li+、NiCd、NiMH、鉛酸等電池類型都能兼容。
• 高效的同步降壓控制電路：采用下一代同步降壓控制電路，允許占空比超過99%，降低了輸入到輸出的最小電壓降，能夠輕松為1至4節(jié)串聯(lián)的Li+電池充電。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

由于其出色的性能和兼容性，MAX1645B被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括筆記本電腦、銷售點(diǎn)終端、個(gè)人數(shù)字助理等設(shè)備，為這些設(shè)備的電池充電提供了可靠的解決方案。

二、技術(shù)參數(shù)解析

（一）絕對(duì)最大額定值

在使用MAX1645B時(shí)，需要嚴(yán)格遵守其絕對(duì)最大額定值，以確保設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。這些參數(shù)規(guī)定了各個(gè)引腳的電壓范圍、電流限制以及溫度范圍等。例如，DCIN、CVS、CSSP、CSSN、LX到GND的電壓范圍為 - 0.3V至 +30V，超過這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。

（二）電氣特性

MAX1645B的電氣特性涵蓋了多個(gè)方面，包括輸入電壓范圍、電源電流、欠壓閾值、輸出電壓精度等。以下是一些關(guān)鍵電氣特性的詳細(xì)介紹：

• 輸入電壓范圍：DCIN典型工作范圍為8V至28V，能夠適應(yīng)不同的電源輸入。
• 電源電流：在不同的工作狀態(tài)下，DCIN的電源電流有所不同。例如，在充電禁止?fàn)顟B(tài)下，電流為0.7至2mA；而在正常充電時(shí)，電流為1.7至6mA。
• 欠壓閾值：DCIN的欠壓閾值在上升和下降時(shí)分別為7V和7.4V至7.85V，當(dāng)電壓低于該閾值時(shí)，充電器會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的保護(hù)狀態(tài)。
• 輸出電壓精度：通過內(nèi)部參考，輸出電壓精度可達(dá) ±0.8%，確保了充電電壓的準(zhǔn)確性。

三、工作原理及功能實(shí)現(xiàn)

（一）整體架構(gòu)

MAX1645B主要由電流檢測放大器、SMBus接口、跨導(dǎo)放大器、參考電路和DC - DC轉(zhuǎn)換器組成。DC - DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)生成控制信號(hào)，以維持SMBus接口設(shè)定的電壓和電流。該充電器具有一個(gè)電壓調(diào)節(jié)環(huán)和兩個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)，這些調(diào)節(jié)環(huán)相互獨(dú)立工作，保證了充電過程的穩(wěn)定性和可靠性。

（二）輸出電壓設(shè)置

MAX1645B的電壓DAC具有16mV的LSB和18.432V的滿量程。通過SMBus接口發(fā)送16位的ChargingVoltage()命令來設(shè)置輸出電壓，該命令對(duì)應(yīng)著以毫伏為單位的輸出電壓。MAX1645B會(huì)忽略前4個(gè)LSB，并使用接下來的11個(gè)LSB來控制電壓DAC。當(dāng)命令值大于或等于0x4800（18432mV）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電壓超量程，充電器電壓將被限制為18.432V；而當(dāng)命令值低于0x0400（1024mV）時(shí)，充電將終止。

（三）充電電流設(shè)置

充電電流的設(shè)置通過SMBus接口的16位ChargingCurrent()命令實(shí)現(xiàn)。MAX1645B的充電電流DAC范圍為3.2mV至150.4mV，該命令對(duì)應(yīng)著以0.05mV為LSB和3.376V為滿量程的電流檢測電壓。MAX1645B會(huì)丟棄前6個(gè)LSB，并使用剩余的6個(gè)MSB來控制充電電流DAC。當(dāng)命令值高于0x0BC0時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超量程，充電電流檢測電壓將被限制為150.4mV；當(dāng)命令值低于0x0080時(shí)，充電電流將關(guān)閉。充電電流（ICHARGE）由公式 (ICHARGE =V{D A C I} / R{C S I}) 確定，其中VDACI是由ChargingCurrent()設(shè)置的電流檢測電壓，RCSI是電池電流檢測電阻。

（四）輸入電流限制

當(dāng)負(fù)載電流較高時(shí)，MAX1645B會(huì)限制充電器的輸入電流，以保護(hù)AC適配器。內(nèi)部的CSS放大器會(huì)將CSSP和CSSN之間的電壓與CLS/20進(jìn)行比較，VCLS通過REF和GND之間的電阻分壓器設(shè)置。輸入源電流是設(shè)備電流、充電輸入電流和負(fù)載電流的總和，充電器輸入電流由DC - DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。通過公式 (I{MAX }=V{CLS } /left(20 × R_{1}right)) 可以計(jì)算出最大允許的源電流，其中R1是感測電阻。

（五）LDO調(diào)節(jié)器

MAX1645B集成了LDO調(diào)節(jié)器，可從DCIN獲得 +5.4V的電源，能夠提供高達(dá)15mA的電流。LDO調(diào)節(jié)器設(shè)置了DC - DC轉(zhuǎn)換器中NMOS開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電平，同時(shí)還為4.096V參考和大部分控制電路供電。使用時(shí)需要在LDO引腳和GND之間旁路一個(gè)1μF的電容器，以確保電源的穩(wěn)定性。

（六）VDD電源

VDD輸入為SMBus接口和熱敏電阻比較器提供電源。通常情況下，可將VDD連接到LDO，或者為了在DCIN電源移除時(shí)保持MAX1645B的SMBus接口活動(dòng)，可將外部電源連接到VDD。

四、工作狀態(tài)及操作條件

（一）AC存在狀態(tài)

當(dāng)DCIN電壓大于7.5V時(shí)，電池處于AC存在狀態(tài)。此時(shí)，LDO和REF正常工作，允許進(jìn)行電池充電。同時(shí)，ChargerStatus()寄存器中的AC_PRESENT位（位15）將被設(shè)置為1。

（二）電源故障狀態(tài)

當(dāng)DCIN電壓低于BATT + 0.3V時(shí)，充電器進(jìn)入電源故障狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)輸入電壓不足以對(duì)電池進(jìn)行充電。在這種狀態(tài)下，PDS輸入PMOS開關(guān)將關(guān)閉，ChargerStatus()寄存器中的POWER_FAIL位（位13）將被設(shè)置為1。

（三）電池存在狀態(tài)

當(dāng)THM電壓低于VDD的91%時(shí)，認(rèn)為電池已連接到充電器。此時(shí)，ChargerStatus()寄存器中的BATTERY_PRESENT位（位14）將被設(shè)置為1，充電可以正常進(jìn)行。如果電池未連接，所有寄存器將被重置，充電器會(huì)進(jìn)行“浮動(dòng)”充電，以最小化電池連接時(shí)的接觸電弧。

（四）電池欠壓狀態(tài)

當(dāng)BATT電壓低于2.5V時(shí)，電池處于欠壓狀態(tài)，充電器會(huì)將電流限制降低到128mA。當(dāng)BATT電壓超過2.7V時(shí)，正常充電將恢復(fù)，而ChargingVoltage()不受影響，可設(shè)置低至1.024V。

（五）VDD欠壓狀態(tài)

當(dāng)VDD電壓低于2.5V時(shí)，VDD電源處于欠壓狀態(tài)，SMBus接口將不響應(yīng)命令。當(dāng)從欠壓狀態(tài)恢復(fù)時(shí)，設(shè)備將進(jìn)入上電復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)不會(huì)進(jìn)行充電。

五、SMBus接口及命令

（一）接口概述

MAX1645B通過SMBus接口接收控制輸入，該串行接口符合SMBus規(guī)范，充電器功能符合Intel/Duracell二級(jí)智能充電器規(guī)范。作為SMBus從設(shè)備，MAX1645B不發(fā)起總線通信，而是接收命令并響應(yīng)狀態(tài)信息查詢。

（二）主要命令

• ChargerSpecInfo()：使用讀字協(xié)議，命令代碼為0x11。該命令用于獲取充電器的規(guī)格信息，對(duì)于符合二級(jí)智能電池充電器規(guī)范修訂版1.0的MAX1645B，此命令返回0x09。
• ChargerMode()：使用寫字協(xié)議，命令代碼為0x12。用于設(shè)置充電器的工作模式，例如控制充電的開啟和關(guān)閉、清除熱敏電阻過熱標(biāo)志等功能。
• ChargerStatus()：使用讀字協(xié)議，命令代碼為0x13。返回關(guān)于熱敏電阻阻抗和MAX1645B內(nèi)部狀態(tài)的信息，如充電禁止?fàn)顟B(tài)、電池存在狀態(tài)、電源故障狀態(tài)等。
• ChargingCurrent()：使用寫字協(xié)議，命令代碼為0x14。用于設(shè)置充電電流，通過16位二進(jìn)制數(shù)表示電流限制設(shè)定點(diǎn)，MAX1645B在設(shè)置時(shí)具有64mA的分辨率。
• ChargingVoltage()：使用寫字協(xié)議，命令代碼為0x15。用于設(shè)置電池充電電壓，通過16位二進(jìn)制數(shù)表示電壓設(shè)定點(diǎn)，MAX1645B在設(shè)置時(shí)具有16mV的分辨率。
• AlarmWarning()：使用寫字協(xié)議，命令代碼為0x16。如果寫字協(xié)議數(shù)據(jù)的D15、D14、D13、D12或D11等于1，將設(shè)置ALARM_INHIBITED狀態(tài)位，該位會(huì)使MAX1645B的開關(guān)調(diào)節(jié)器關(guān)閉。

六、外部組件選擇與布局

（一）外部組件選擇

在設(shè)計(jì)MAX1645B的應(yīng)用電路時(shí)，正確選擇外部組件至關(guān)重要。以下是一些主要組件的選擇要點(diǎn)：

• MOSFETs和肖特基二極管：肖特基二極管D1在AC適配器插入時(shí)為負(fù)載提供電源，可選擇3A或更高電流的二極管；P通道MOSFET P1用于消除肖特基二極管的壓降和功率消耗，應(yīng)選擇RDS(ON)為50mΩ或更小的MOSFET。N通道MOSFET N1和N2是降壓控制器的開關(guān)器件，N1的電流額定值應(yīng)至少為6A，RDS(ON)為50mΩ或更?。籒2的電流額定值應(yīng)至少為3A，RDS(ON)為100mΩ或更小。D3為信號(hào)級(jí)二極管，為高端MOSFET驅(qū)動(dòng)器提供電源；P通道MOSFET P2在AC適配器移除時(shí)為負(fù)載提供電流，應(yīng)選擇RDS(ON)為50mΩ或更小的MOSFET。
• 電感選擇：電感L1為充電過程中的電池提供電源，其飽和電流應(yīng)至少為3A加上電流紋波的一半（ (Delta l{L}) ），可通過公式 (ISAT =3 A+1 / 2 Delta l{L}) 計(jì)算。電流紋波 (Delta l{L}) 可通過公式 (Delta l{L}=21 V mu s / L) 計(jì)算，通常選擇22μH的電感可滿足所有工作條件。
• 其他組件：CCV、CCI和CCS是三個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)的補(bǔ)償點(diǎn)，需要按照要求進(jìn)行旁路電容連接；R7和R13分別作為THM和CVS的保護(hù)電阻；為了實(shí)現(xiàn)可接受的精度，R6應(yīng)選擇10kΩ且精度為1%的電阻，以匹配內(nèi)部電池?zé)崦綦娮琛?/li>

（二）布局和旁路

• 旁路設(shè)計(jì)：需要對(duì)DCIN、LDO、BST、DLOV等引腳進(jìn)行旁路電容連接，以確保電源的穩(wěn)定。例如，在DCIN引腳和GND之間旁路一個(gè)1μF的電容器，D4用于保護(hù)設(shè)備在DC電源輸入反接時(shí)不受損壞。
• PCB布局：良好的PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)指定的噪聲、效率和穩(wěn)定性能至關(guān)重要。在布局時(shí)，應(yīng)首先放置高功率連接，確保電流檢測電阻的走線長度最短，并使用Kelvin連接以保證準(zhǔn)確的電流檢測；將IC和信號(hào)組件與主開關(guān)節(jié)點(diǎn)（LX節(jié)點(diǎn)）保持距離，避免干擾敏感的模擬組件；使用單點(diǎn)星形接地，將輸入接地走線、電源接地和正常接地連接到該節(jié)點(diǎn)。

七、總結(jié)與思考

MAX1645B作為一款先進(jìn)的電池充電器，具有多種化學(xué)體系兼容性、輸入電流限制、高效充電等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種電子設(shè)備的充電需求。在設(shè)計(jì)使用MAX1645B的充電電路時(shí)，電子工程師需要深入理解其技術(shù)參數(shù)、工作原理和外部組件選擇原則，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮不同電池類型的充電特性和設(shè)備的具體需求，靈活調(diào)整充電參數(shù)。例如，對(duì)于不同容量和化學(xué)體系的電池，如何優(yōu)化充電算法以提高充電效率和電池壽命，這是值得我們進(jìn)一步思考和探索的問題。你在使用類似電池充電器時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。