基于MAX1873 锂电充电控制器的双电源供电系统设计

摘　要: 目前大多数据采集系统采用220 V 交流电源供电， 而在实时性要求高的场合则采用交流电源作为主电源并且蓄电池作为备用电源的双电源系统进行供电， 以防止由于交流电源的突然断开而造成数据采集系统的数据丢失。针对220 V交流电源供电系统以及交直流双电源供电系统中存在的问题和缺陷， 介绍了多节锂电充电控制器MAX1873 的特点和充电控制方法， 以及利用MAX1873 构成的锂电市电双电源供电系统的详细设计方法和设计调试中应注意的问题。

关键词：MAX1873； 充电； 双电源； 锂电池

　　MAX1873 是MAX IM 公司生产的廉价的多节锂离子电池充电控制芯片， 其相应R， S， T 后缀的型号可分别实现2 节、3 节或者4 节串联的锂离子电池组的高达4 A以上的快速充电。利用300 kHz 的PWM 输出信号控制实现一个可调整的充电电流， 以及±0175% 的锂电池充电截止电压控制精度。MAX1873 通过电流和电压2 个控制循环实现对电池电压和充电电流的平滑切换控制， 并通过另外一个控制循环实现对输入源的电流调节， 16 脚的Q SOP封装使得整个充电控制电路结构简单， 是一款高性价比的锂电池充电控制芯片。芯片可独立完成充电器控制， 亦可在单片机控制下完成锂电池的充电控制。该芯片同时也可以对镍锰、镍镉电池进行充电控制。

MAX1873 的特点及功能

MAX1873 的内部结构如图1 所示， 他对锂电池的充电管理通过3 个控制循环进行控制。

锂电池电压的监测　锂电池的充电截止电压需要精确控制， 如果电池被过充， 锂电池性能将大大下降。锂电池型号不同， 充电截止电压也不同。通过设定VADJ 引脚的电压值， 可以在4.2 V ±5.25% 的范围内微调充电截止电压， V_^ADJ 引脚的电压值在VREF 和GND 之间:

V _ADJ = 9.5 (V _BATT /N ) - 9V _REF (1)



其中V _REF = 4.2 V ， 若单体锂电池的充电截止电压为4.2 V ， 则V _ADJ 设为2.1 V ， 即1/2 V _REF ， 可通过REF 和GND两引脚分压得到。

充电电流控制　充电电流通过两种方式共同控制， 连接BA TT 和CSB 引脚之间的电阻R _CSB ， 和ICHG/EN 引脚的电压。充电电流的大小:

I_CHG = 0.2 V (V _ICH/EN /V _REF )/R _CSB (2)

当ICHG/EN 引脚和REF 引脚直接相联， 即V _ICH/EN = V _REF 时， I_CHG = 0.2 V/R _CSB。

输入源电流控制　该芯片可协调锂电池充电电流和系统供电电流。当系统供电电流较大时， 可通过缩减锂电池的充电电流， 而使得整个系统的输入源电流保持在一定水平， 这样的设计可缩小输入源的设计尺寸。输入源电流的大小可通过连接在CSSP 和CSSN 两引脚间的电阻R _CSS来设定。

I_S = 0.1 V/R _CSS (3)

　　该芯片主要引脚功能如下:

CSSN: 1 脚， 源电流感应负输入端。在CSSP 和CSSN之间连接一电流感应电阻即可实现输入源电流的控制。若关闭该功能， 则短接CSSP 和CSSN。

CSSP: 2 脚， 源电流感应正输入端。

ICHG?EN: 6 脚， 充电电流调整端， 接地时关闭充电。

IOU T: 7 脚， 充电电流监测端， V _{IOU T} = 20 (V _CSB -V _BATT )。

ADJ: 8 脚， 充电截止电压调整端。

REF: 9 脚， 4.2 V 参考电压输出端。

BA TT: 10 脚， 电池电压监测输入端、充电电流感应负输入端。

CSB: 11 脚， 充电电流感应正输入端。

EXT: 14 脚， 外部PFET 驱动输出， EXT 的电压范围为V _DCIN～V _DCIN - 5 V。

MAX1873 在双电源供电系统中的应用

目前多数的数据采集系统采用220 V 交流电源经降压、整流变换成低压直流对系统进行供电。在大多数场合，这种供电方式基本能够满足实际应用的要求。但是有许多系统在野外工作， 此时的交流电源无法保证， 为了保证系统的正常运行， 必须采用电池进行备用电源供电。两种电源的供电， 通过切换电路实现无缝自动切换。

图2 为分布式无线温度监测系统的电源模块结构图。



系统电源输出包括12V 的无线发射模块电源、+ 5V的数字电路电源、±5V 的模拟电路电源， 共4 路电源。在本设计中为了简化系统的结构， 将数字电源和模拟电源共用+ 5 V ， 即三路输出。

220 V 交流电源经过变压器和线性稳压器LM 317K整合成15 V 直流电， 15 V 直流电源分2 路， 其中一路经过降压至12V； 另一路经充电控制电路至12V 锂电池。为了保证交直流供电的自动切换， 在两路12 V 信号至DC-DC 模块之间添加了切换电路， 保证只要有一路有电， 系统即可工作。12～ ±5 V 的转换通过隔离式DC -DC 开关电源完成。同时在系统中添加电源供电状态监测电路， 单片机可根据供电状态选择不同的节电模式。

本电源主要模块的详细设计如下:

电源供电状态检测电路
当有220 V 交流电源时， LM 317K 将有电压输出， 反之则无。因此系统的供电状态的检测， 可通过检测LM 317K 有无15 V 电压输出来获取系统的供电状态。由于采用隔离式DC -DC， 供电状态的检测通过在15 V 电源和5 V 电源之间添加一个光耦TL P521 -1 来完成， 当有市电供电时， Status 输出低电平， 当无市电供电时Status 输出高电平， 其电路原理如图3 所示。



充电控制电路
无线发射电源为12 V 供电， 本系统采用6 节3 串2 并12.6 V ， 4 600 mA h 的锂电池组作为蓄电池， 并采用MAX1873S 充电控制芯片。充电控制电路原理如图4 所示。

充电控制电路基本工作原理如下: V IN 为15 V 电源输入端， R ₉ 和R ₁₅ 串联用来感应充电电流； R ₈ 用来感应输入源电流， 以控制“12 V 电源输出”和锂电池充电电流之间的供电平衡， 防止电源过载。当系统负载电流较大时， 充电控制芯片通过控制EXT 引脚的输出频率信号的占空比来控制P 沟道场效应管NDS8435A 源漏极的导通与截止时间比， 从而控制流向锂电池的充电电流。充电电流和输入源电流的大小计算如式(4) 和(5) ， VADJ 引脚的电压设定见式(6) ， 输入源电流大小为:



　　由于V _ICHG/EN= V _REF ， 因此锂电池充电电流大小为:

　　
由于所购买的锂电池充电截止电压为4.2 V ， 因此V _BATT/N = 4.2 V ， 代入得:


　供电切换电路
220 V 交流电源的供电和断开都是在瞬间完成的， 为了保证系统的正常运行， 系统必须自动完成交流电源和直流电源的供电的切换。图5 为切换电路原理图， 结构简单，但是非常有效。由于“12 V 直流电源”端电压总是保持在12.6 V 以上， 即如有交流电时， 输出端总是通过“12V 直流电源”供电， 而当无交流电源时， 由于电池电压比“12 V直流电源”的电压高， 则通过电池对系统进行供电。





　设计调试中应注意的问题

在本充电器的设计和调试中还要注意以下几个问题，否则充电电路的充电速率将无法达到预设值:

(1) 选择足够功率的变压器和线性稳压器如果功率偏小， 会由于输出功率不够使得充电器达不到设定的充电电流。 本系统中充电电流为1 A ， 系统中采用大功率的40W变压器和具有大电流输出的线性稳压器LM 317K， 其典型输出电流达2 A。

(2) 充电电流的大小受2 个参数控制V _ICHG/EN 和R _CSB。由于设计的疏忽经常造成I_CHG/EN 设置不正确而造成无法充电。

　　(3) 在测试充电速率时必须断开电源系统和数据采集箱之间的连接， 否则可能由于输入源电流控制循环的调节而造成充电电流偏小。

结　语

利用MAX1873S 锂电池充电控制器构成的充电电路结构简单， 充电速度快， 且充电电流易调， 成本低。由MAX1873S 构成的锂电市电双电源供电系统与其他双电源系统相比具有几个特点:

供电时间长　与4 A h 的铅蓄电池相比， 具有更长的持续工作时间， 在对本分布式多点位无线温度监测系统的持续供电时间对比试验中分别为39 h 和19 h。

电池可靠性高　铅蓄电池在使用和存储过程中容易损坏， 其直接后果就是持续供电时间大大缩短， 而锂电池自放电速率比较低， 在长时间未使用后其持续可供电时间比较稳定。

体积小、重量轻　同样4 A h 的铅蓄电池体积达70×90× 100 mm³， 而6 节锂电池的体积约为50 × 70 ×40 mm³， 体积为铅蓄电池的1/5， 重量前者为1.5 kg， 而后者只有约200 g 左右。适用于便携式系统等对体积和重量要求较高的应用场合。