MAX17703：高性能Li-ion電池充電器控制器的全面解析

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高效、可靠的電池充電解決方案至關(guān)重要。Analog Devices的MAX17703作為一款4.5V至60V寬輸入、同步降壓的Li-ion電池充電器控制器，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為眾多應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇。本文將深入剖析MAX17703的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面，為電子工程師提供全面的參考。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17703屬于Himalaya系列，該系列的電壓調(diào)節(jié)器IC、電源模塊和充電器能夠?qū)崿F(xiàn)更涼爽、更小巧、更簡單的電源解決方案。MAX17703專為Li-ion電池充電設(shè)計(jì)，可在4.5V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C。它提供了完整的充電解決方案，具有±4%的精確恒流充電能力，輸出電壓可在1.25V至(VDCIN - 2.1V)范圍內(nèi)編程，調(diào)節(jié)精度為±1%。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

（一）針對(duì)Li-ion電池的優(yōu)化特性

1. 高精度充電控制：充電電流調(diào)節(jié)精度為±4%，充電電流監(jiān)測(cè)精度為±6%（ISMON），電壓調(diào)節(jié)精度為±1%，確保電池充電的準(zhǔn)確性和安全性。
2. 可編程充電模式：支持可編程的恒流（CC）模式充電電流（ILIM），并具備充電終止功能，可根據(jù)電池狀態(tài)和設(shè)定的錐流閾值及錐流定時(shí)器進(jìn)行充電終止。
3. 寬輸入電壓范圍：4.5V至60V的寬輸入電壓范圍，適用于多種電源場(chǎng)景。
4. 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓范圍可從1.25V調(diào)節(jié)至12節(jié)串聯(lián)的Li-ion電池電壓，滿足不同應(yīng)用的需求。
5. 可調(diào)頻率與同步功能：開關(guān)頻率可在125kHz至2.2MHz之間調(diào)節(jié)，并支持外部時(shí)鐘同步（RT/SYNC），方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行同步。

（二）惡劣環(huán)境下的可靠運(yùn)行

1. 輸入短路保護(hù)：通過外部nMOSFET提供輸入電源側(cè)短路保護(hù)，防止電池放電。
2. 安全定時(shí)器功能：具備安全定時(shí)器（TMR），可設(shè)置最大允許充電時(shí)間，提高系統(tǒng)安全性。
3. 深度放電檢測(cè)與預(yù)處理：能夠檢測(cè)深度放電的電池，并進(jìn)行預(yù)處理，確保電池的正常充電。
4. 電池溫度傳感：支持電池溫度傳感，僅在允許的電池溫度范圍內(nèi)進(jìn)行充電，避免電池過熱或過冷。
5. 逐周期過流限制：提供逐周期過流限制，保護(hù)電路免受過大電流的損害。
6. 可編程使能/欠壓鎖定閾值：可通過EN/UVLO引腳設(shè)置輸入欠壓鎖定閾值，確保系統(tǒng)在合適的電壓下工作。
7. 狀態(tài)輸出監(jiān)測(cè)：通過開漏輸出（FLG1和FLG2）監(jiān)測(cè)充電器狀態(tài)，方便用戶了解充電情況。
8. 過溫保護(hù)：具備過溫保護(hù)功能，當(dāng)芯片溫度超過160°C時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉芯片，待溫度降低10°C后再重新開啟。
9. 電磁兼容性：符合CISPR 32（EN55032）Class B傳導(dǎo)和輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，減少電磁干擾。

三、工作原理

（一）充電模式與狀態(tài)轉(zhuǎn)換

MAX17703的充電過程包括預(yù)充電、恒流（CC）、恒壓（CV）和頂充四個(gè)階段。充電開始時(shí)，根據(jù)電池電壓的不同，充電器會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的充電狀態(tài)。當(dāng)充電電流降至錐流閾值時(shí)，充電器進(jìn)入頂充狀態(tài)，當(dāng)錐流定時(shí)器超時(shí)后，充電終止。當(dāng)輸出電壓低于充電閾值時(shí)，充電器會(huì)自動(dòng)重啟充電。

（二）控制架構(gòu)

MAX17703采用恒定頻率、平均電流模式控制架構(gòu)。內(nèi)部電流環(huán)通過跨導(dǎo)放大器（gmi）感應(yīng)流經(jīng)電流檢測(cè)電阻（RS）的電感電流，將電流檢測(cè)電壓與電流環(huán)參考電壓（VREFI）進(jìn)行比較，VREFI由外部電壓環(huán)誤差放大器（GV）設(shè)置，并受ILIM引腳編程電壓（VILIM）的限制。通過PWM比較器將COMP引腳的電壓與1.44V（典型值）的斜坡進(jìn)行比較，設(shè)置轉(zhuǎn)換器的占空比。

（三）電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓由電壓誤差放大器GV通過電阻分壓器（RTOP和RBOT）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將FB引腳的電壓與FB參考電壓（VFB_REG）進(jìn)行比較，設(shè)置電流環(huán)參考電壓（VREFI）。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，VREFI相應(yīng)減小，從而使充電電流成比例降低。

四、引腳功能與配置

MAX17703采用24引腳4mm x 4mm TQFN封裝，各引腳功能如下：

1. PGND：電源地，連接到靠近IC的VCC旁路電容的返回端和外部低端nMOSFET的源極。
2. VCC：內(nèi)部LDO輸出，需連接一個(gè)最小4.7μF/0805的低ESR陶瓷電容到PGND，為IC內(nèi)部控制電路和外部nMOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電流提供支持。
3. EXTVCC：外部電源輸入，用于EXT-LDO。當(dāng)需要從外部電源為內(nèi)部電路供電時(shí)，可在該引腳施加4.8V至24V的電壓，并連接一個(gè)最小1μF/0603的低ESR陶瓷電容到SGND/EP。
4. CSP和CSN：電流環(huán)誤差放大器的反相和同相輸入，用于測(cè)量電流檢測(cè)電阻RS兩端的電壓。
5. ISMON：充電電流監(jiān)測(cè)輸出，需連接一個(gè)1nF的低ESR陶瓷電容到SGND/EP進(jìn)行旁路，該引腳的電壓是電流檢測(cè)電阻RS兩端電壓降的30倍。
6. FLG1和FLG2：開漏狀態(tài)輸出引腳，用于指示充電器的狀態(tài)。
7. FB：反饋輸入，通過連接到電池正負(fù)極之間的電阻分壓器的中心節(jié)點(diǎn)，設(shè)置輸出電壓。
8. COMP：電流環(huán)誤差放大器輸出，需連接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以穩(wěn)定內(nèi)部電流環(huán)。
9. TMR：電池安全定時(shí)器設(shè)置引腳，通過連接一個(gè)電容到SGND/EP設(shè)置充電時(shí)間，連接到VREF可禁用定時(shí)器功能。
10. RT/SYNC：開關(guān)頻率編程/同步輸入，通過連接一個(gè)電阻到SGND/EP設(shè)置開關(guān)頻率，也可實(shí)現(xiàn)外部時(shí)鐘同步。
11. ILIM：CC模式充電電流編程輸入，通過連接到VREF和SGND/EP之間的電阻分壓器設(shè)置CC模式充電電流。
12. VREF：2.5V參考輸出，需連接一個(gè)0.1μF的低ESR陶瓷電容到SGND/EP進(jìn)行旁路。
13. DDTH：電池深度放電檢測(cè)輸入，連接到輸出電壓節(jié)點(diǎn)和SGND/EP之間的電阻分壓器的中心節(jié)點(diǎn)，用于檢測(cè)電池是否深度放電。
14. TEMP：電池溫度輸入，通過連接到VREF和SGND/EP之間的電阻分壓器，并將電池溫度傳感NTC電阻連接到分壓器的底部電阻兩端，設(shè)置電池充電溫度窗口。
15. EN/UVLO：使能/欠壓鎖定輸入，通過連接到DCIN和SGND/EP之間的電阻分壓器設(shè)置設(shè)備開啟的輸入電壓，連接到SGND/EP可關(guān)閉設(shè)備。
16. DCIN：輸入電源電壓檢測(cè)引腳，需連接一個(gè)0.1μF的陶瓷電容到PGND進(jìn)行旁路，與VIN引腳一起測(cè)量外部nMOSFET兩端的電壓。
17. GATEN：外部nMOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)輸出，需連接一個(gè)2.2nF的低ESR陶瓷電容到DCIN進(jìn)行旁路，用于控制外部nMOSFET的開關(guān)，防止電池在輸入短路時(shí)放電。
18. VIN：MAX17703的IC電源引腳，需連接一個(gè)0.1μF的陶瓷電容到PGND進(jìn)行旁路。
19. DH：高端nMOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出，連接到高端nMOSFET的柵極。
20. LX：開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接輸入，連接到轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。
21. BST：自舉電容連接輸入，需連接一個(gè)最小0.1μF的電容到LX引腳，并連接一個(gè)肖特基二極管從VCC到BST引腳。
22. DL：低端nMOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出，連接到低端nMOSFET的柵極。
23. SGND/EP：信號(hào)地和外露焊盤，需參考MAX17703評(píng)估套件的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行PCB布局、布線和熱過孔的設(shè)計(jì)。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）元件選擇

1. 電感選擇：需考慮電感值（L）、直流電阻（RDCR）和電感飽和電流（ISAT）三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。電感值可根據(jù)電感電流紋波比（LIR）計(jì)算，推薦LIR為0.3。選擇電感時(shí)，應(yīng)選擇最接近計(jì)算值的電感，其RMS電流額定值應(yīng)大于CC模式充電電流，且飽和電流額定值應(yīng)足夠高，以確保在超過對(duì)應(yīng)于VCS_PEAK的過流閾值時(shí)才會(huì)發(fā)生飽和。
2. 輸出電容選擇：為減少電池兩端的電壓紋波，可在充電器輸出端使用額外的X7R陶瓷電容和/或低ESR POSCAP電容。輸出電容值可根據(jù)公式計(jì)算，同時(shí)需考慮陶瓷電容在直流偏置電壓下的降額情況。在充電器輸出和電池之間有長電纜的應(yīng)用中，可使用具有適當(dāng)ESR的電解電容來抑制振蕩。
3. 輸入電容選擇：輸入濾波電容可減少從電源汲取的峰值電流，降低開關(guān)轉(zhuǎn)換器引起的輸入噪聲和電壓紋波。輸入電容值可根據(jù)公式計(jì)算，選擇時(shí)應(yīng)考慮電壓紋波和電容的RMS電流額定值，推薦使用低ESR陶瓷電容。
4. MOSFET選擇：
   • 輸入短路保護(hù)外部nMOSFET：應(yīng)選擇具有低RDS-ON的外部邏輯電平nMOSFET，以減少正向路徑傳導(dǎo)損耗。MAX17703支持柵極電荷高達(dá)250nC的外部nMOSFET。
   • 降壓轉(zhuǎn)換器nMOSFET：需選擇邏輯電平兼容、具有保證的導(dǎo)通電阻規(guī)格（在VGS = 4.5V時(shí)）的nMOSFET。選擇時(shí)應(yīng)考慮導(dǎo)通電阻、最大漏源電壓、米勒平臺(tái)電壓、總柵極電荷、輸出電容、功率耗散額定值和封裝熱阻等參數(shù)，以平衡和優(yōu)化開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。

（二）參數(shù)設(shè)置

1. 開關(guān)頻率設(shè)置：可通過在RT/SYNC引腳連接一個(gè)電阻來編程開關(guān)頻率，范圍為125kHz至2.2MHz。也可將RT/SYNC引腳連接到外部時(shí)鐘進(jìn)行同步，外部時(shí)鐘頻率應(yīng)在允許的同步頻率范圍內(nèi)（±10%的標(biāo)稱內(nèi)部時(shí)鐘頻率）。
2. CC模式充電電流設(shè)置：通過設(shè)置ILIM引腳的電壓（VILIM）和選擇合適的電流檢測(cè)電阻RS來設(shè)置CC模式充電電流。RS的選擇需在功率損耗和充電電流精度之間進(jìn)行權(quán)衡，推薦RS兩端的電壓降為30mV至50mV。
3. 輸入欠壓鎖定電平設(shè)置：通過EN/UVLO引腳設(shè)置輸入欠壓鎖定電平，可通過連接到DCIN和SGND/EP之間的電阻分壓器來實(shí)現(xiàn)。
4. 輸出電壓設(shè)置：通過FB引腳和反饋電阻分壓器（RTOP和RBOT）設(shè)置電池兩端的電壓。
5. 電池深度放電電壓設(shè)置：通過DDTH引腳和電阻分壓器設(shè)置電池的深度放電電壓檢測(cè)電平。
6. 電池工作溫度范圍設(shè)置：通過TEMP引腳和NTC電阻設(shè)置電池的工作溫度范圍，可使用公式計(jì)算電阻值。

（三）PCB布局

PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)低損耗和低EMI發(fā)射至關(guān)重要。以下是一些PCB布局的指導(dǎo)原則：

1. 陶瓷輸入濾波電容應(yīng)盡可能靠近高端nMOSFET的漏極和低端nMOSFET的源極放置。
2. 使用開爾文連接，將VIN和DCIN跡線從輸入短路保護(hù)nMOSFET的源極和漏極端子作為差分對(duì)布線，并連接到設(shè)備的VIN和DCIN引腳。VIN和DCIN旁路電容應(yīng)靠近相應(yīng)引腳放置。
3. VCC、EXTVCC旁路電容和BST電容應(yīng)靠近各自引腳放置。
4. GATEN-to-DCIN旁路電容應(yīng)靠近設(shè)備的GATEN和DCIN引腳放置。
5. 自舉電容應(yīng)靠近BST和LX引腳放置。
6. 自舉二極管的連接應(yīng)盡可能短，以最小化環(huán)路電感。
7. 開關(guān)跡線（BST、LX、DH和DL）應(yīng)遠(yuǎn)離敏感信號(hào)跡線（RT/SYNC、COMP、CSP、CSN和FB）。
8. 柵極電流跡線應(yīng)盡量短，如需從PCB的一層路由到另一層，可使用多個(gè)過孔。
9. 電流檢測(cè)跡線應(yīng)作為差分對(duì)布線，以最小化環(huán)路電感并避免差分噪聲。
10. 電流檢測(cè)濾波器電阻和電容應(yīng)靠近CSP和CSN引腳放置。
11. 反饋和補(bǔ)償組件應(yīng)靠近設(shè)備放置，并連接到SGND/EP銅區(qū)域。
12. 所有功率組件應(yīng)放置在電路板的頂層，并盡可能使用頂層的跡線或銅填充來運(yùn)行功率級(jí)電流，避免添加過孔。
13. 功率跡線和負(fù)載連接應(yīng)盡量短，可使用多層、厚銅PCB（2oz或更高）來提高效率并最小化跡線電感和電阻。
14. 為輸出節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)大的PGND銅區(qū)域，并將輸入濾波電容、輸出電容和低端nMOSFET的源極的返回端子連接到該區(qū)域。

六、總結(jié)

MAX17703作為一款高性能的Li-ion電池充電器控制器，具有寬輸入電壓范圍、高精度充電控制、可靠的保護(hù)功能和豐富的可編程特性。通過合理選擇元件、設(shè)置參數(shù)和優(yōu)化PCB布局，電子工程師可以充分發(fā)揮MAX17703的優(yōu)勢(shì)，為各種應(yīng)用設(shè)計(jì)出高效、可靠的電池充電解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，還需根據(jù)具體需求進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用MAX17703的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。