使用 MAX8731A 设计智能电池充电器：技术剖析与实践指南

在电子设备设计中，电池充电器的性能至关重要，它直接影响着设备的续航能力和安全性。今天，我们将深入探讨 Maxim 公司的 MAX8731A，这是一款 SMBus 可编程的多化学电池充电器，具有高精度、高效能等众多优点。

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1. 产品概述

1.1 主要特性

MAX8731A 是一款 SMBus 可编程的多化学电池充电器，支持对 Li+、NiMH 和 NiCd 等多种类型电池的充电。它具有以下显著特性：

• 高精度：充电电压精度达 0.5%，输入电流限制精度和充电电流精度均为 3%。
• 快速响应：具备快速脉冲充电响应和系统负载瞬态响应能力。
• 双远程感应：采用双远程感应输入，可直接在电池端测量反馈电压，减少充电时间，提高充电精度。
• 短路保护：具备逐周期电流限制和电池短路保护功能，增强了充电安全性。

1.2 应用场景

该充电器适用于多种设备，如笔记本电脑、平板电脑、医疗设备以及各种便携式可充电设备。

2. 关键参数与特性

2.1 电气特性

• 充电电压调节：提供 1.024V 至 19.200V 的充电电压范围，分辨率为 16mV。不同的充电电压设置对应不同的精度，如设置为 0x41A0 时，充电电压为 16.716 - 16.884V，精度为 ±0.5%。
• 充电电流调节：当 RS2 = 10mΩ 时，充电电流范围为 128mA 至 8.064A，分辨率为 128mA。充电电流精度在不同设置下有所不同，如设置为 0x1f80 时，精度为 ±3%。
• 输入电流调节：输入电流限制范围为 256mA 至 11.004A，分辨率为 256mA。输入电流精度在不同设置下也有所差异，如设置为 11004mA 或 3584mA 时，精度为 ±3%。

2.2 典型工作特性

通过一系列图表展示了输入电流限制误差、IINP 误差、充电电流误差、电池电压误差等与系统电流、输入电流限制设置、电池电压等参数的关系。这些特性有助于工程师在实际设计中更好地理解充电器的性能，优化充电策略。

3. 引脚说明

MAX8731A 采用 28 引脚的薄型 QFN 封装，各引脚功能如下：

• GND（1, 12）：模拟地，直接连接到散热片。
• ACIN（2）：交流适配器检测输入，连接到一个未使用的比较器输入。
• REF（3）：4.096V 电压参考，需用 1µF 电容旁路到地。
• CCS（4）：输入电流调节环路补偿点，连接 0.01µF 电容到地。
• CCI（5）：输出电流调节环路补偿点，连接 0.01µF 电容到地。
• CCV（6）：电压调节环路补偿点，串联 10kΩ 电阻和 0.01µF 电容到地。
• DAC（7）：DAC 电压输出，用 0.1µF 电容旁路到地。
• IINP（8）：输入电流监测输出，输出电流与 CSSP 和 CSSN 之间的感测电流成正比。
• SDA（9）：SMBus 数据输入/输出，开漏输出，需根据 SMBus 规范连接外部上拉电阻。
• SCL（10）：SMBus 时钟输入，需根据 SMBus 规范连接外部上拉电阻。
• VDD（11）：逻辑电路电源电压输入，用 0.1µF 电容旁路到地。
• ACOK（13）：交流检测输出，开漏输出，当 ACIN 大于 REF/2 时为高阻抗。
• BATSEL（14）：电池电压选择输入，高电平选择电池 B，低电平选择电池 A。
• FBSA（15）：电池 A 输出电压的远程感应输入，连接 100Ω 电阻到电池连接器，10nF 电容到 PGND。
• FBSB（16）：电池 B 输出电压的远程感应输入，连接 100Ω 电阻到电池连接器，10nF 电容到 PGND。
• CSIN（17）：充电电流感测负输入。
• CSIP（18）：充电电流感测正输入，连接 10mΩ 电流感测电阻到 CSIN。
• PGND（19）：功率地。
• DLO（20）：低端功率 MOSFET 驱动器输出，连接到低端 n 沟道 MOSFET。
• LDO（21）：线性稳压器输出，提供 5.4V 电源，需用 1µF 陶瓷电容旁路到 PGND。
• DCIN（22）：充电器偏置电源输入，用 0.1µF 电容旁路到 PGND。
• LX（23）：高端功率 MOSFET 驱动器源连接，连接到高端 n 沟道 MOSFET 的源极。
• DHI（24）：高端功率 MOSFET 驱动器输出，连接到高端 n 沟道 MOSFET 的栅极。
• BST（25）：高端功率 MOSFET 驱动器电源连接，连接 0.1µF 电容到 LX。
• VCC（26）：设备电源输入，通过 RC 滤波器连接到 LDO。
• CSSN（27）：输入电流感测负输入。
• CSSP（28）：输入电流感测正输入，连接 10mΩ 电流感测电阻到 CSSN。
• BP：背面散热片，连接到模拟地。

4. 工作原理与控制逻辑

4.1 典型应用电路

典型应用电路采用高效的同步整流降压 DC - DC 转换器，驱动高端 n 沟道 MOSFET 和低端 n 沟道 MOSFET 实现同步整流。通过电压调节环路（CCV）和两个电流调节环路（CCI 和 CCS）实现对充电过程的精确控制。

• CCV 环路：监测 FBSA 或 FBSB 电压，确保电池电压不超过设定值。
• CCI 环路：监测电池电流，确保充电电流不超过设定的电流限制。
• CCS 环路：当适配器电流超过输入电流限制时，降低充电电流，优先满足系统负载需求。

4.2 充电参数设置

• 充电电压设置：使用 SMBus 写入 16 位的 ChargeVoltage() 命令，设置范围为 1.024V 至 19.200V，分辨率为 16mV。
• 充电电流设置：使用 SMBus 写入 16 位的 ChargeCurrent() 命令，当 RS2 = 10mΩ 时，设置范围为 128mA 至 8.064A，分辨率为 128mA。
• 输入电流限制设置：使用 SMBus 写入 16 位的 InputCurrent() 命令，当 RS1 = 10mΩ 时，设置范围为 256mA 至 11.004A，分辨率为 256mA。

4.3 充电超时与远程感应

• 充电超时：MAX8731A 包含一个定时器，如果在 175s 内未收到 ChargeVoltage() 或 ChargeCurrent() 命令，将终止充电。
• 远程感应：采用双远程感应技术，可消除电池串联阻抗的影响，减少充电时间。同时，具备安全特性，当 FBS_ 或选择器断开时，限制充电电压。

5. 补偿与设计要点

5.1 补偿网络设计

• CCV 环路补偿：需要一个由 CCV 和 RCV 组成的极点 - 零点对，以补偿输出电容和负载形成的极点。
• CCI 环路补偿：只需一个简单的单极点来补偿电池电流环路。
• CCS 环路补偿：同样只需一个单极点来补偿输入电流限制环路。

5.2 元件选择

• MOSFET 选择：根据最大充电电流选择 n 沟道 MOSFET，考虑其导通损耗、开关损耗和输出电容损耗。
• 电感选择：根据充电电流、纹波和工作频率选择合适的电感，以实现最佳效率。
• 输入电容选择：选择能够满足开关电流纹波要求的输入电容，非钽电容是首选。
• 输出电容选择：输出电容需要吸收电感纹波电流，并具备足够的电容和低 ESR，以确保 DC - DC 转换器的稳定性。

6. 应用信息与注意事项

6.1 智能电池系统

在现代智能电池系统中，通常使用键盘控制器或类似的数字智能设备来调解电池和充电器之间的通信，实现更灵活的充电算法。

6.2 输入电流限制设置

根据 AC 适配器的电流能力和输入电流限制的公差来设置输入电流限制，确保其上限不超过适配器的最小可用输出电流。

6.3 布局与旁路

• 旁路电容：按照电路图对 DCIN、VDD、LDO、VCC、DAC 和 REF 等引脚进行旁路电容设置。
• PCB 布局：良好的 PCB 布局对于实现指定的抗噪性、效率和稳定性能至关重要。遵循以下原则：
  • 优先放置高功率连接，尽量缩短电流感测电阻的走线长度，确保精确的电流感测。
  • 保持 IC 和信号组件与主开关节点（LX 节点）远离敏感模拟组件。
  • 尽量缩短栅极驱动走线（DHI 和 DLO）的长度，并使其远离电流感测线和 REF。
  • 靠近 IC 放置陶瓷旁路电容，电流感测输入滤波电容直接连接到 GND 引脚。
  • 使用单点星形接地，将功率地和安静地岛连接在一起。

7. 总结

MAX8731A 是一款功能强大、性能优越的电池充电器，具有高精度、快速响应和多种保护功能。通过合理的参数设置、元件选择和 PCB 布局，工程师可以设计出高效、稳定的电池充电系统。在实际应用中，需要根据具体需求和电路特性进行优化，以充分发挥 MAX8731A 的性能优势。你在使用 MAX8731A 进行设计时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。