鋰電池應用於行動電話及個人數位數理(PDA)是一個趨勢，鋰電池充電器的設計是一個平衡的考量，一方面是其能提供較高的充電電流以縮短充電時間，另一方面充電器的尺寸必需要夠小以符合行動電話及個人數位數理體積日益縮小的趨勢。本文主要介紹現有的各種充電技術及其優缺點，使工程師能夠根據規格設計最佳的充電器。

鋰電池充電器的需求

鋰電池充電器的最基本需求有二：最大充電電流及最大充電電壓的限制以保證充電系統的安全，其他的要求為增加電池或充電器的充放次數及使用壽命，當中包括對過放(over-discharged)的電池減少充電電流，對電池電壓的偵測或電池容量的偵測，輸入電流的限制，電池充飽時關閉充電器，對充飽電池經過一段時間漏電後能自動再充電功能，充電狀態的指示，外在充電器的開關控制等。

上述的功能通常能夠由充電器、ASIC或單晶片互相配合來達成。研發工程師根據規格、成本需求及考量線路的複雜度來設計充電器，同時也要與電池廠商討論以保充電器的安全性。

鋰電池充電器的種類

鋰電池充電器的方式可分為三種：交換式(switch-mode)，線性式(linear)及脈衝式(pulse)，這三種架構主要的差別為電路板面積大小、效率及成本。交換式充電器的效率較佳但其電路板面積較大，線路較為複雜及需較大的電感電容等被動元件；線性式及脈衝式充電器其電路板面積較小及只需較少的外部元件，但其效率較差。雖然線性式充電器周邊元件不佔過多的電路板面積，但仍需額外的面積以利電晶體的散熱；脈衝式充電器不會有上述線性式的問題，但其需要有限電流功能的交流轉換器(AC adapter)，其價格較昂貴且大部分的AC Adapter不具此功能。

交換式充電器（Switch-Mode Chargers）

(圖一)所示為一標準的交換式鋰電池充電器．利用MAX1737鋰電池充電控制器來驅動兩個N型MOSFET以達到將AC Adapter降壓至電池的電壓準位。在整個電池電壓範圍及寬廣的輸入電壓範圍，其電路的功率損耗小於1瓦。此外本線路能夠輕易地對高達1顆串聯的鋰電池以1安培的電流來充電。

交換式充電器在整電池電壓及輸入電壓範圍具有低功率損耗的特性，這方面明顯地比線性式充電器好．交換式充電器同時也有一優點比脈衝式充電器佳，即其在不同的輸入電壓範圍下，仍具有良好的充電效能，此特點允許交換式充電器能使用比脈衝式充電器較小較便宜的AC Adapter。

交換式充電器的主要缺點為其電路及被動元件電感電容佔較大的空間及電路的複雜度較高，其他的缺點為交換式電路電感電容所造成的電磁干擾(EMI)及產生的電子雜訊較大，因此在設計電路及進行電路板擺放元件及佈局時，需特別小心以避免干擾問題。

《圖一 交換式鋰電池充電器》

(圖一)所示充電器電路具有增進電池壽命及保障系統運作的安全性，本充電電路具有輸入電流偵測限制的功能，可根據系統電源使用的電流，自動改變充電電流：當系統電源負載較大時，充電電流較小，系統負載變小時，則增加充電電流，使其不會超過AC Adapter輸出電流上限，又能在系統運作時有效地充電。此特點可使研發工程師使用較便宜，較小電流的AC Adapter來設計充電器，同時本充電器能在充電完成時，能將充電電路關閉。對已充飽的電池因漏電或其他因素造成容量降低，能自動地再加以充電；對過份放電的電池以小電流預充，以保電池的安全性，同時也會偵測電池是否已故障，無法繼續使用。其他的功能為充電狀態的顯示，能驅動發光二極體(LED)或與單晶片溝通。

線性充電器

相較於交換式充電器，線性式充電器能有效地縮小充電電路尺寸及降低複雜度。線性式充電器使用一電源電晶體，通常為MOSFET或Bipolar Transistor，從交換轉換器的電壓，降為電池電壓。線性式電路的週邊元件數目相當地少，只需輸入及輸出電容，電晶體及一些電阻去設定電壓電流的上限。

線性式的主要缺點為其充電效率不佳，充電器本身只是單純地使用電晶體從AC Adapter直接降壓至電池電壓，因此：

舉例而言，若以1安培電流充電，AC Adapter電壓為5V±10%，電池電壓範圍從4.2V至2.5V，則充電器的功率消耗為0.3W 至 3.0W。

(圖二)所示為一標準的線性式鋰電池充電電路．此電路使用MAX1898驅動一電晶體(PMOSFET)，將AC Adapter的電壓降至電池電壓。此電路比交換式電路簡單許多，主要是因為線性式不需要電感電容等濾波電路。在電池電壓最低的時候，AC Adapter與電池的電壓差最大，此時線性式電路的功率損耗最大。MAX1898有一預充功能(prequalification state)其能在電池電壓小於2.5V時，減少充電電流．此功能可將功率損耗最大的情形，控制在當電池電壓大於2.5V的時候。

對充電器輸入電壓為5V±10%，其最大輸入電壓為5.5V，計算電路本身的誤差值，則MAX1898的最低預充電壓為2.375V。因此最差的功率損耗經過電源電晶體為每安培的3.125瓦。對大電流充電時(約１安培)，此功率損耗可能對體積較小行動電話或個人數位助理產生過熱的現象，降低系統的效能。減少充電電流可解決此問題，但會增加充電時間，因此研發工程師需在避免系統過熱及縮小充電時間的情形，做一適當的選擇。

《圖二　線性鋰電池充電器》

即使線性式充電器會有功率耗損過大的問題，但其仍不失為無線器材充電器的最佳選擇。主要是其電路無交換式的動作，跟其他充電方式比起來，其傳導及幅射電磁干擾相對較小。這種低噪音干擾的電路特性，相當適合應用在對干擾敏感的無線器材上。

MAX1898包括一個充電指示訊號，其能直接驅動發光二極體或是通知microcontroller充電狀態；電池低電壓偵測電路能對過放的電池減少充電電流，在電池充飽後，內建計時器能將充電器關掉。可調式偵測電池電壓，對充飽的電池其電壓降至某設定值後，自動對其充電的功能。ISET訊號能夠設定充電電流及充電器在定電壓模式時指示充電電流的大小。透過數位類比轉換器(ADC)或是比較器，能針對ISET上的電壓訊號了解充電電流低到其一程度的值，再與計時器配合，可用來當做關閉充電器的條件，此IC同時包含CHG充電訊號及EN/OK整合性輸入輸出訊號，其能顯示充電狀態，指示輸入電壓正常及啟動充電電路。

脈衝式充電器

第三種形式的鋰電池充電器為脈衝式，其具有線性式及交換式充電器的部份優點。如其良好的充電效率與交換式充電器相當，當在低電池電壓時，其電源電晶體為完全導通，讓AC Adapter的電流直接流入電池，並由AC Adapter來做電流限制的功能。當電池電壓達到充飽所需電壓時，充電器開始利用脈衝開關電源電晶體，以提供充電電流，因為在充電時電源電晶體並不是操作在線性區（linear region），而是完全導通，因此其功率損耗比線性式充電器小了許多，此外因脈衝式充電器不需要電感電容的濾波電路，因此其體積比交換式充電器小了許多。

(圖三)為MAX1736鋰電池脈衝式充電器，其具有線性式充電器簡潔的電路及較少的周邊元件，因為脈衝式充電器低功率損耗，不會有如線性充電器需考量充電時間以及散熱的問題。然而脈衝式充電器有些特別的需求，如AC Adapter需具有電流限制的功能，而且其電流限制的精確度要求較高，這類AC Adapter並不是很普遍而且價格也較昂貴。在某些情況之下，因系統需求具電流限制功能的AC Adapter，使用脈衝式充電器不會增加額外的成本。

《圖三 　脈衝式鋰電池充電器》

MAX1736能自動對電壓小於2.5V的電池以小電流6mA充電，以確保過放電池的安全性，然而，此充電器不會自動停止充電。一般而言，MAX1736在充電電流小於最大充電電流的10%時會停止充電。設定此種充電停止模式，MAX1736的GATE訊號直接驅動單晶片的輸端。在偵測GATE訊號的duty cycle小於10%時，單晶片輸出一訊號驅動MAX1736的EN腳位，使MAX1737停止充電．當MAX1736的EN為LOW時，其漏電流小於2(A，以防止電池充飽後對充電器的漏電流過大。

結論

在決定使用交換式、線性式或脈衝式充電器時，有各種不同的考量：交換式充電器在不同的輸入電流及不同充電電流的情形下，均具有良好的充電效率，但其電路複雜且成本較高；線性式充電器電路就簡單多了且不佔過多空間，但在大部分的情況下，其充電效率較差；脈衝式充電器的充電效率佳，其所佔空間也較小與線性式相當，但需要配合價格昂貴且不普遍的具電流限制功能的AC Adapter才能運作。研發工程師可根據各式充電器特點，考量實際需求來選擇一最適合的充電器架構。