高效穩(wěn)定！MAX1898單節(jié)鋰電池線性充電器解析

作為一名電子工程師，在設(shè)計(jì)涉及單節(jié)鋰電池充電的項(xiàng)目時(shí)，選擇一款合適的充電器芯片至關(guān)重要。今天給大家詳細(xì)介紹一款Maxim公司的產(chǎn)品——MAX1898單節(jié)鋰電池線性充電器，它在眾多應(yīng)用場景中都展現(xiàn)出了出色的性能。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1898與外部PNP或PMOS晶體管配合使用，可以構(gòu)成一個(gè)完整的單節(jié)鋰離子（Li+）電池充電器。它具備精確的恒流/恒壓充電功能，電池調(diào)節(jié)電壓精度可達(dá) ±0.75%，這對于優(yōu)化電池性能和延長循環(huán)壽命非常關(guān)鍵。而且，充電電流可以由用戶自行設(shè)置，并且采用內(nèi)部電流感應(yīng)方式，無需外部電流感應(yīng)電阻，簡化了電路設(shè)計(jì)。此外，該芯片還提供了用于監(jiān)控充電狀態(tài)、輸入電源是否存在以及充電電流的輸出引腳。同時(shí)，它還具備關(guān)機(jī)、可選的無需輸入電源循環(huán)的充電周期重啟、可選擇的充電終止安全定時(shí)器以及針對深度放電電池的低電流預(yù)充電等附加功能。

MAX1898有兩個(gè)版本，分別適用于不同化學(xué)體系的鋰電池。其中，MAX1898EUB42的電池調(diào)節(jié)電壓為4.2V，MAX1898EUB41的電池調(diào)節(jié)電壓為4.1V。兩款芯片均采用10引腳超薄μMAX封裝，集成度高，所需的外部元件極少。

二、應(yīng)用場景

MAX1898的應(yīng)用范圍十分廣泛，常見于以下設(shè)備中：

1. 單節(jié)鋰電池供電的便攜式設(shè)備：如便攜式音樂播放器、小型傳感器設(shè)備等，這些設(shè)備對電池充電的穩(wěn)定性和芯片的集成度要求較高，MAX1898正好能滿足這些需求。
2. 自充電電池組：為一些需要自行充電的電池組提供可靠的充電解決方案。
3. 個(gè)人數(shù)字助理（PDAs）：確保PDA設(shè)備的鋰電池能夠安全、高效地充電。
4. 手機(jī)：在手機(jī)充電電路中發(fā)揮作用，保障手機(jī)電池的正常充電。
5. 座式充電器：可用于設(shè)計(jì)各種座式充電器，滿足不同設(shè)備的充電需求。

三、產(chǎn)品特性

1. 簡單安全的線性充電器：采用線性充電方式，電路設(shè)計(jì)簡單，同時(shí)具備多種安全保護(hù)功能，確保電池充電安全。
2. 使用低成本的PNP或PMOS傳輸元件：可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的傳輸元件，降低成本。
3. 4.5V至12V的輸入電壓范圍：能夠適應(yīng)較寬的輸入電壓，增加了芯片的通用性。
4. 內(nèi)部電流感應(yīng)電阻：無需外部電流感應(yīng)電阻，減少了元件數(shù)量和電路板面積。
5. ±0.75%的電壓精度：保證了電池充電時(shí)的電壓穩(wěn)定性，有利于提高電池性能和壽命。
6. 可編程充電電流：用戶可以根據(jù)電池的規(guī)格和需求，靈活設(shè)置充電電流。
7. 自動(dòng)輸入電源檢測：能夠自動(dòng)檢測輸入電源的存在，方便充電操作。
8. LED充電狀態(tài)指示燈：通過CHG引腳連接LED，用戶可以直觀地了解電池的充電狀態(tài)。
9. 可編程安全定時(shí)器：可以設(shè)置最大充電時(shí)間，避免過充情況的發(fā)生。
10. 電流感應(yīng)監(jiān)控輸出：通過ISET引腳可以實(shí)時(shí)監(jiān)控充電電流的大小。
11. 可選/可調(diào)的自動(dòng)重啟功能：可以根據(jù)需要配置自動(dòng)重啟功能，確保電池在電壓下降到一定程度時(shí)自動(dòng)恢復(fù)充電。
12. 小型μMAX封裝：尺寸小巧，適合應(yīng)用于對空間要求較高的設(shè)備中。

四、引腳配置與功能

五、電氣特性

（一）電源電壓范圍

MAX1898的電源電壓范圍為4.5V至12V，能夠適應(yīng)不同的輸入電源。

（二）輸入OK觸發(fā)點(diǎn)

輸入OK觸發(fā)點(diǎn)分為上升沿和下降沿，不同情況下的觸發(fā)電壓有所不同，具體數(shù)值在文檔中有詳細(xì)說明。這些觸發(fā)點(diǎn)用于檢測輸入電源的狀態(tài)，確保充電器在合適的電源條件下工作。

（三）EN/OK引腳電流

當(dāng)輸入電源不正常時(shí)，EN/OK引腳的灌電流為100μA；當(dāng)輸入電源正常時(shí)，EN/OK引腳的拉電流在5 - 20μA之間。同時(shí)，EN/OK引腳還有邏輯輸入高電平和低電平的要求，分別為2V和0.6V。

（四）電壓環(huán)路和電流環(huán)路特性

電壓環(huán)路方面，不同版本的MAX1898有不同的電壓環(huán)路設(shè)置點(diǎn)和預(yù)充電電壓閾值。電流環(huán)路方面，內(nèi)部電流感應(yīng)電阻、RMS充電電流、電流感應(yīng)放大器增益、電流環(huán)路調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)等參數(shù)都有明確的范圍，這些參數(shù)對于控制充電電流和保證充電的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

（五）定時(shí)器功能

定時(shí)器的源/灌電流為5μA，定時(shí)器精度在一定條件下為 -10% 至 +10%。CHG輸出在不同狀態(tài)下的電流和閃爍頻率也有相應(yīng)的規(guī)定，可用于判斷充電狀態(tài)和故障情況。

六、充電過程詳解

（一）啟動(dòng)快速充電條件

當(dāng)滿足以下任意條件時(shí)，MAX1898將啟動(dòng)快速充電：

1. 連接外部電源，且電池電壓高于2.5V。
2. 電池電壓下降到重啟閾值（MAX1898EUB42為4.0V，MAX1898EUB41為3.9V）。
3. 通過將EN/OK引腳拉低再拉高來重置IC。
4. 預(yù)充電周期結(jié)束，電池電壓達(dá)到2.5V。

（二）預(yù)充電功能

由于鋰電池在完全沒電的狀態(tài)下進(jìn)行快速充電可能會(huì)損壞電池，MAX1898在充電周期開始時(shí)，會(huì)以用戶編程的快速充電電流的10%對電池進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)電池電壓上升到2.5V時(shí)，再開始快速充電。

（三）電流限制模式

MAX1898通過線性控制外部PMOS或PNP晶體管來調(diào)節(jié)充電電流。最大充電電流由連接在ISET引腳到地的外部RSET電阻編程設(shè)置，計(jì)算公式為： [I{FASTCHG }=frac{1400 V}{R{SET}}] 其中，IFASTCHG的單位為安培，RSET的單位為歐姆。同時(shí)，ISET引腳還可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)際充電電流，其輸出電流為每安培充電電流對應(yīng)1mA，輸出電壓與充電電流成正比，計(jì)算公式為： [V{ISET }=frac{lfloorCHG × R{SET}}{1000}] 在選定的快速充電電流下，ISET引腳的電壓標(biāo)稱值為1.4V，隨著電池充滿，充電電流減小，ISET引腳的電壓也會(huì)下降。

（四）CHG狀態(tài)輸出

（五）充電周期重啟

MAX1898可以配置為當(dāng)電池電壓下降到比電池調(diào)節(jié)電壓低200mV時(shí)自動(dòng)重啟充電周期（將RSTRT引腳接地）。也可以通過在RSTRT引腳和地之間連接外部電阻來降低重啟閾值。如果不需要自動(dòng)重啟功能，可以將RSTRT引腳浮空。當(dāng)重啟功能禁用時(shí)，充電只能通過將EN/OK引腳拉低或斷開并重新連接輸入電源來重新啟動(dòng)。

（六）EN/OK引腳功能

EN/OK引腳具有兩個(gè)功能。它主要作為邏輯輸入（高電平有效）來啟用充電器，同時(shí)還可以指示輸入電源是否連接。當(dāng)輸入電源連接到IN引腳（(V{IN }>V{BAT })且(V_{IN }>4.25 ~V)）時(shí)，EN/OK引腳通過100kΩ的內(nèi)部上拉電阻拉高到3V。因此，EN/OK引腳可以輸出到邏輯輸入，以指示交流適配器的存在，同時(shí)也可以由開漏邏輯驅(qū)動(dòng)來控制充電器的開關(guān)。當(dāng)開漏邏輯輸入為低電平時(shí)，會(huì)覆蓋內(nèi)部上拉電阻，關(guān)閉充電器；當(dāng)開漏邏輯輸入為高阻抗時(shí)，如果IN引腳有電源，EN/OK引腳將拉高。如果IN引腳沒有（或電壓不足），EN/OK引腳將保持低電平，充電器將關(guān)閉。

（七）電池放電電流

MAX1898采用先進(jìn)的CMOS電路來完全監(jiān)控電池狀態(tài)，同時(shí)從電池本身吸取的電流極小。當(dāng)輸入電壓小于電池電壓時(shí)，電池放電電流通常為3μA。當(dāng)輸入電源存在且充電完成（充電定時(shí)器超時(shí)）時(shí)，電池放電電流通常為40μA。通過禁用重啟功能，可以將該電流降低到4μA。

七、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

（一）基本應(yīng)用電路

MAX1898的基本應(yīng)用電路如圖所示，需要在BATT引腳添加一個(gè)10μF的旁路電容，以穩(wěn)定電池電壓。同時(shí)，可以添加一個(gè)LED作為充電狀態(tài)指示器。為了避免在輸入電源短路時(shí)電池放電，應(yīng)在外部晶體管的漏極/集電極和BATT之間添加一個(gè)肖特基二極管。

（二）選擇最大充電時(shí)間

可以通過在CT引腳和地之間連接一個(gè)外部電容來設(shè)置最大充電時(shí)間，計(jì)算公式為： [C{CT}[nF]=34.33 × t{CHG} hours ]] 其中，tCHG為標(biāo)稱充電時(shí)間限制（單位：小時(shí)）。最大充電定時(shí)器主要作為安全定時(shí)器使用，通常不參與充電控制回路。在以1C速率對鋰電池充電時(shí)，正常充電時(shí)間約為1.5小時(shí)，但實(shí)際時(shí)間可能會(huì)因溫度和電池類型而有較大差異。在大多數(shù)情況下，建議將最大充電時(shí)間限制設(shè)置為3小時(shí)，以確保正常充電不會(huì)被充電定時(shí)器中斷。也可以將CT引腳接地來完全禁用充電安全定時(shí)器，但需要注意的是，此時(shí)重啟功能和預(yù)充電故障指示也將被禁用。

（三）控制自動(dòng)重啟

MAX1898具有自動(dòng)重啟功能，當(dāng)電池電壓下降到預(yù)定水平時(shí)會(huì)恢復(fù)充電。在大多數(shù)定時(shí)充電器中，一旦充電超時(shí)，后續(xù)電池放電后，如果沒有外部信號重啟充電器，充電將不會(huì)恢復(fù)。而MAX1898通過自動(dòng)恢復(fù)充電，確保在充電器電源可用時(shí)，電池不會(huì)在使用后處于部分充電狀態(tài)。自動(dòng)重啟功能可以通過以下方式配置：

1. 禁用重啟：將RSTRT引腳浮空。電池充電完成且充電定時(shí)器超時(shí)后，只能通過循環(huán)輸入電源到IN引腳或切換EN/OK引腳來啟動(dòng)充電。禁用重啟功能后，充電完成后的電池放電電流可降低到4μA；啟用重啟功能時(shí)，充電完成后的電池放電電流為40μA。
2. 啟用默認(rèn)重啟閾值：將RSTRT引腳接地，MAX1898EUB42的默認(rèn)重啟閾值為4V，MAX1898EUB41的默認(rèn)重啟閾值為3.9V。電池充電完成且充電定時(shí)器超時(shí)后，當(dāng)電池電壓下降到重啟閾值時(shí)，充電將自動(dòng)重啟。
3. 降低重啟閾值：如果需要，可以通過在RSTRT引腳和地之間連接一個(gè)電阻來降低重啟閾值。對于MAX1898EUB42，當(dāng)VRSTRT值在3V到4V之間時(shí)，電阻計(jì)算公式為： [R{RSTRT }[k Omega]=left[frac{69.275 k Omega}{frac{V{RSTRT }}{1.4 V}-1}right]-37.301 k Omega] 對于MAX1898EUB41，當(dāng)VRSTRT值在3V到3.9V之間時(shí)，電阻計(jì)算公式為： [R{RSTRT }[k Omega]=left[frac{66.822 k Omega}{frac{V{RSTRT }}{1.4 V}-1}right]-37.301 k Omega] 需要注意的是，如果CT引腳接地（充電定時(shí)器禁用），重啟功能也將被禁用。

八、外部元件選擇

MAX1898驅(qū)動(dòng)外部晶體管來控制充電電流，選擇合適的外部元件對于充電器的性能至關(guān)重要。

（一）功率晶體管選擇

功率晶體管（MOSFET或雙極型）的最重要規(guī)格是電流額定值和封裝功率耗散。由于MAX1898作為線性充電器工作，熱量會(huì)在外部晶體管中耗散，最壞情況下的功率耗散為： [PDISS(MAX) = IFASTCHG left(V_{IN}-2.5 Vright)] 功率晶體管和散熱措施（通常是擴(kuò)展的PCB板平面）必須能夠承受PDISS(MAX)。

（二）MOSFET選擇

最常用的功率器件是P溝道MOSFET，其工作電壓必須超過預(yù)期的輸入電壓。在大多數(shù)充電器設(shè)計(jì)中，一個(gè)相對低成本的FET（RDS(ON)約為100mΩ - 200mΩ）就可以滿足要求。雖然低電阻的FET性能更好，但在這種情況下增加的成本可能并不值得。

（三）PNP雙極型晶體管選擇

也可以使用PNP雙極型晶體管作為功率器件。DRV引腳最多可以吸收4mA電流，因此需要較高的電流增益（hFE或Beta），以允許DRV引腳驅(qū)動(dòng)雙極型功率晶體管的基極。對于500mA的快速充電電流，需要hFE為125。雖然達(dá)林頓PNP晶體管的電流增益較高，但由于穩(wěn)定性限制，不建議使用。

（四）防止電池放電

如果(VIN)小于VBATT，外部增強(qiáng)型FET的體二極管會(huì)使電流從電池流回電源。為了防止這種情況發(fā)生，應(yīng)在漏極和BATT之間添加一個(gè)肖特基二極管。

九、總結(jié)

MAX1898單節(jié)鋰電池線性充電器是一款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的充電器芯片，具有高精度的電壓控制、靈活的充電電流設(shè)置、多種安全保護(hù)功能和方便的充電狀態(tài)指示等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)單節(jié)鋰電池充電電路時(shí)，電子工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部元件，充分發(fā)揮MAX1898的性能優(yōu)勢，為設(shè)備提供可靠的充電解決方案。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要注意一些細(xì)節(jié)，如充電時(shí)間的設(shè)置、自動(dòng)重啟功能的配置等，以確保電池的安全和性能。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。