該電路為帶有頻率同步的高壓、高效、開關模式電池充電器，適用于對諧波輻射較敏感的電池供電應用。

帶有高靈敏度模擬前端(AFE)的電池供電設備一般必須能夠在電池充電期間正常工作，例如移動式軟件無線電、便攜式超聲成像系統以及可穿戴病人監護設備。根據應用的不同，AFE電路的工作頻率范圍可能從200kHz到高達幾百MHz不等。高靈敏度AFE電路可能是移動無線電或超聲成像設備中相控陣收發器的中間頻率級。在使用開關模式充電器對電池進行充電時，充電器開關頻率會產生有害的諧波輻射，降低AFE靈敏度。

頻率同步的作用

頻率同步可用于控制開關諧波的分布，以及最大程度減小開關拍頻，否則會降低系統靈敏度。該技術通常用于負載點DC-DC穩壓的開關模式電源(SMPS)中，電源穩壓器與外部時鐘源同步。SMPS被廣泛使用的原因是其具有高效率，但也帶來獨特的輻射挑戰。頻率同步解決了SMSP負載點應用中的這一問題，也可以延伸到開關模式充電器。

然而，頻率同步、高效、開關模式電池充電器的設計選擇是有限的。所以，工程師往往使用線性充電器，其噪聲較低，但效率較差、散發出較大的熱量。工程師也可以使用比較理想的開關模式充電器方案：效率較高但不支持同步或不能工作在較寬輸入電壓范圍。

電池充電

本文給出的電路闡述了電池充電中的這種要求。該電路為高壓、高效、恒流/恒壓、帶有頻率同步的開關模式鋰離子(Li+)電池充電器。我們在24V的電壓下對電路性能進行了測試，但是電路可以工作在從7V到44V的范圍內(44V是我的實驗室電壓極限)。開關頻率設定為500kHz。MAX17504降壓型DC-DC轉換器支持200kHz至2.2MHz頻率同步。對于其它頻率，電感可能需要調節。

鋰(Li+)電池的充電需要兩個步驟(圖1)。

圖1. 恒流/恒壓Li+充電曲線。

對于已放電電池，第一步要求充電器處于恒流模式。根據電池制造商的數據資料，可獲得最大充電速率。快充或者說1C速率下，充電電流等于電池的安時額定值。隨著電池充電，電池電壓達到規定的設置點電壓，一般為4.2V；此時，電池容量僅達到其最大值的65%至70%。

2. 在充電過程的第二階段，將充電器置于恒壓模式。恒壓模式下，充電器提供足夠電流，將電池電壓恒定維持在設置點電壓。因此，充電電路將持續減小充電電流，造成充電電流曲線逐漸降低，如圖1所示。

電路設計

該電路的核心是DC/DC開關轉換器U1 (圖2)。MAX17504的輸入電壓工作范圍較寬，從4.5V至60V，可同步的外部時鐘頻率從200kHz至2.2MHz。該設計思想經過測試，對單節4.2V、2.2AHLi+電池進行充電，輸入電壓為24V。

圖2. 該電池充電器提供恒流/恒壓模式，帶頻率同步輸入。

當電池負載電流小于預設的充電電流值VICHG時，將積分器U3的輸出驅動為+Vf，從而將Q1偏置關斷，充電器處于恒壓模式。因此，通過R4的電流接近于0，充電電壓由下式給出：(R2/R1 + 1) × 0.9V。恒流模式下，U2和U3構成電流控制環路，充電電流由U3的引腳3上的電壓的設定。U2為電流檢測放大器，測量RS上的電流，為U3構成的積分器提供誤差電壓。當U2輸出電壓要超過VICHG時，積分器輸出將降低其電壓，開始偏置Q1，向反饋節點源出電流。該動作降低了轉換器的輸出電壓，從而降低源出至電池的電流。

該反饋環路通過積分器的伺服操作找到電池的放電狀態檢測限流工作點。測得該電路在24V下的電流精度(25°C)優于1.6%。通過向VICHG施加0.450V電壓，將輸出電流設定為1.5A。VICHG可來自于不同的電源，例如固定電壓基準、MCU的PWM濾波輸出或DAC輸出。一個穩定的電壓源對于VICHG來說，非常重要。

該充電器能夠將開關頻率與外部時鐘同步，非常獨特，并且輸入電壓工作范圍較寬。電路處于恒流模式時，電池充電電流由式1設定。

I charge = (VICHG/CSA gain)/RSENSE (式1)

其中，MAX4173的CSA增益為20，電路中的RSENSE為0.015Ω。