MAX8713：簡化多化學體系SMBus電池充電器的卓越之選

各位電子工程師們，今天要和大家深入探討一款功能強大的電池充電器——MAX8713。這款充電器在多化學體系電池充電領域表現(xiàn)出色，能有效簡化智能充電器的設計。

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一、產品概述

MAX8713是一款多化學體系電池充電器，它最大的亮點在于僅需最少數(shù)量的外部組件就能構建智能充電器。其通過Intel System Management Bus (SMBus?) 來精準控制充電電壓和充電電流，采用恒關斷時間降壓拓撲與同步整流技術，實現(xiàn)了高效率充電。

特點總結

1. 強大的充電能力：能夠為1至4節(jié)串聯(lián)的鋰離子 (Li+) 電池充電，且充電電流超過2A，還可通過感測電阻進行調整。
2. 高效驅動設計：驅動n通道MOSFET，提高了效率并降低了成本。
3. 高精度電流檢測：低失調充電電流感測放大器搭配小阻值感測電阻，實現(xiàn)高精度充電電流監(jiān)測。
4. 小巧封裝與廣泛應用：采用節(jié)省空間的24引腳4mm x 4mm薄型QFN封裝，可在 -40°C 至 +85°C 的寬溫度范圍內工作。同時，它有對應的評估套件，能縮短設計時間，適用于手機車載套件、數(shù)碼相機、PDA和平板電腦、筆記本電腦以及各種帶可充電電池的便攜式設備。

技術對比反思

在多化學體系電池充電器領域，類似產品眾多。與其他產品相比，MAX8713通過減少外部組件數(shù)量，簡化了設計流程，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。但我們也需要思考，在追求簡化設計的同時，是否會在某些特殊應用場景下犧牲一些靈活性呢？

二、電氣特性

充電電壓調節(jié)

對電池調節(jié)電壓精度進行了嚴格規(guī)定，不同的充電電壓設置下，精度誤差控制在一定范圍內，如充電電壓設置為 0x20D0 時，精度為 ±0.6%。同時，明確了不同充電電壓設置和輸入電壓下的電池滿充電壓。

充電電流調節(jié)

精度同樣出色，不同充電電流設置下，符合電流精度也在可控范圍內。例如，充電電流設置為 0x07e0 時，符合電流精度為 ±3%。還規(guī)定了 CSIP 至 CSIN 的滿量程電流感測電壓、電池充電電流感測電壓等參數(shù)。

電源與線性穩(wěn)壓器

DCIN 和 DCSNS 的輸入電壓范圍為 7.5V 至 28.0V，同時給出了它們的欠壓鎖定觸發(fā)點、靜態(tài)電流等參數(shù)。LDO 輸出電壓在無負載時為 5.25V 至 5.55V，負載調整率也有相應規(guī)定。

開關穩(wěn)壓器

開關穩(wěn)壓器的關斷時間與 VBST - VLX、VBATT 和 RFREQ 有關，不同條件下有不同的取值。還規(guī)定了 DLOV 供電電流、BST 供電電流、BST 輸入靜態(tài)電流、LX 輸入偏置電流、最大不連續(xù)模式峰值電流以及 MOSFET 導通電阻等參數(shù)。

誤差放大器

GMV 放大器跨導和 GMI 放大器跨導也在規(guī)定范圍內，如充電電壓設置為 0x20d0 且 VBATT = 8.400V 時，GMV 放大器跨導為 0.0625 至 0.2500 mA/V。

SMBus 接口電平規(guī)格

明確了 SDA/SCL 的輸入低電壓、輸入高電壓、輸入偏置電流以及 SDA 輸出灌電流等參數(shù)，確保與 SMBus 的良好兼容性。

疑問與思考

在實際設計中，這些電氣特性參數(shù)之間相互影響。比如，充電電壓調節(jié)精度和充電電流調節(jié)精度會受到電源電壓波動、負載變化等因素的影響。我們在設計時，如何更好地權衡這些參數(shù)，以滿足不同應用場景的需求呢？

三、工作條件與設置

充電電壓設置

使用 SMBus 寫入 16 位的 ChargeVoltage() 命令來設置輸出電壓，該命令轉換為 1mV LSB 和 65.535V 滿量程電壓。不過，MAX8713 會忽略前 4 個 LSB 位，使用接下來的 11 位來設置電壓 DAC。充電電壓范圍為 0 至 19.200V，超出或低于此范圍會有相應的處理方式。初始上電時，ChargingVoltage() 會重置為零，需要發(fā)送該命令才能啟動充電。

充電電流設置

同樣通過 SMBus 接口寫入 16 位的 ChargeCurrent() 命令來設置充電電流，該命令基于 40mΩ 電流感測電阻，轉換為 1mA 每 LSB 和 65.535A 滿量程電流。充電電流范圍為 0 至 2.016A，超出或低于此范圍也有相應規(guī)定。初始上電時，ChargeVoltage() 和 ChargeCurrent() 值會被清除，需要發(fā)送有效命令才能啟動充電器。

疑問與探索

在設置充電電壓和充電電流時，我們需要考慮電池的特性和應用需求。例如，不同類型的電池對充電電壓和電流的要求不同，我們如何根據(jù)電池的具體情況來合理設置這些參數(shù)，以達到最佳的充電效果和電池壽命呢？

四、DC - DC 轉換器與控制

控制方案

采用偽固定頻率、電流模式控制方案，并具備逐周期電流限制。控制器的恒定關斷時間 (tOFF) 根據(jù) VDCIN、VBATT 和 RFREQ 計算得出，最小值為 300ns。其工作由四個比較器決定，分別為 IMIN、CCMP、IMAX 和 ZCMP 比較器。

不同工作模式

1. 連續(xù)導通模式：當有足夠的充電電流時，電感電流不會過零，進入連續(xù)導通模式。調節(jié)器在不在降壓狀態(tài)（VBATT < 0.88 × VDCIN）時以 400kHz 頻率開關?？刂破魍ㄟ^控制高側和低側 MOSFET 的導通和關斷來實現(xiàn)充電過程的控制，同時逐周期電流限制可有效防止過流和短路故障。
2. 不連續(xù)導通模式：當 LVC 控制點輸出低于 100mV 時，進入不連續(xù)導通模式，確保電感電流始終為正。在這種模式下，直到 LVC 電壓上升到 100mV 以上才會開始新的周期。

深入思考

DC - DC 轉換器的不同工作模式適用于不同的充電場景。在實際應用中，我們如何根據(jù)電池的充電狀態(tài)和負載情況，自動切換工作模式，以提高充電器的效率和性能呢？

五、補償與設計

補償環(huán)路

充電電壓和充電電流調節(jié)環(huán)路分別在 CCV 和 CCI 進行獨立補償。CCV 環(huán)路補償需要考慮充電器輸出電容的 ESR、等效負載電阻等因素，通過設置合適的補償網絡來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。CCI 環(huán)路補償相對簡單，只需要一個單極點即可。

設計要點

1. MOSFET 選擇：根據(jù)最大所需充電電流選擇 n 通道 MOSFET，需要考慮損耗平衡、導通電阻、開關時間等因素。
2. 電感選擇：根據(jù)充電電流、紋波和工作頻率選擇合適的電感，電感的飽和電流額定值要滿足要求。
3. 電容選擇：輸入電容要滿足紋波電流要求，輸出電容要吸收電感紋波電流并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

疑問與挑戰(zhàn)

在補償設計中，如何準確地測量和計算各項參數(shù)，以確保補償網絡的有效性？在選擇 MOSFET、電感和電容時，如何在性能和成本之間找到最佳平衡點？

六、布局與封裝

布局要點

良好的 PCB 布局對于實現(xiàn)指定的抗噪聲能力、效率和穩(wěn)定性能至關重要。要先放置高功率連接，確保電流感測電阻的準確測量，減少高電流路徑的接地和其他走線長度。將 IC 和信號組件合理放置，保持主開關節(jié)點遠離敏感模擬組件。同時，要縮短柵極驅動走線長度，并將其遠離電流感測線和 REF。

封裝信息

采用 24 引腳 4mm x 4mm 薄型 QFN 封裝，在給出了封裝的詳細尺寸信息，同時提醒注意封裝圖紙可能未反映最新規(guī)格，可通過官網獲取最新信息。

思考與優(yōu)化

在布局過程中，如何應對不同的 PCB 層數(shù)和尺寸要求，以實現(xiàn)最佳的布局效果？封裝的尺寸和引腳布局在一定程度上影響了電路的設計和性能，我們是否有更好的方法來優(yōu)化這種影響呢？

綜上所述，MAX8713是一款功能強大、性能出色的多化學體系電池充電器。在實際應用中，我們需要充分了解其各項特性和工作原理，根據(jù)具體需求進行合理設計和優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的充電效果和系統(tǒng)性能。各位工程師在使用過程中，也要不斷探索和實踐，解決遇到的各種問題。你在電池充電器設計中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。