锂电池应用于行动电话及个人数位数理(PDA)是一个趋势，锂电池充电器的设计是一个平衡的考量，一方面是其能提供较高的充电电流以缩短充电时间，另一方面充电器的尺寸必需要够小以符合行动电话及个人数位数理体积日益缩小的趋势。本文主要介绍现有的各种充电技术及其优缺点，使工程师能够根据规格设计最佳的充电器。

锂电池充电器的需求

锂电池充电器的最基本需求有二：最大充电电流及最大充电电压的限制以保证充​​电系统的安全，其他的要求为增加电池或充电器的充放次数及使用寿命，当中包括对过放( over-discharged)的电池减少充电电流，对电池电压的侦测或电池容量的侦测，输入电流的限制，电池充饱时关闭充电器，对充饱电池经过一段时间漏电后能自动再充电功能，充电状态的指示，外在充电器的开关控制等。

上述的功能通常能够由充电器、ASIC或单晶片互相配合来达成。研发工程师根据规格、成本需求及考量线路的复杂度来设计充电器，同时也要与电池厂商讨论以保充电器的安全性。

锂电池充电器的种类

锂电池充电器的方式可分为三种：交换式(switch-mode)，线性式(linear)及脉冲式(pulse)，这三种架构主要的差别为电路板面积大小、效率及成本。交换式充电器的效率较佳但其电路板面积较大，线路较为复杂及需较大的电感电容等被动元件；线性式及脉冲式充电器其电路板面积较小及只需较少的外部元件，但其效率较差。虽然线性式充电器周边元件不占过多的电路板面积，但仍需额外的面积以利电晶体的散热；脉冲式充电器不会有上述线性式的问题，但其需要有限电流功能的交流转换器(AC adapter)，其价格较昂贵且大部分的AC Adapter不具此功能。

交换式充电器(Switch-Mode Charger)

(图一)所示为一标准的交换式锂电池充电器．利用MAX1737锂电池充电控制器来驱动两个N型MOSFET以达到将AC Adapter降压至电池的电压准位。在整个电池电压范围及宽广的输入电压范围，其电路的功率损耗小于1瓦。此外本线路能够轻易地对高达1颗串联的锂电池以1安培的电流来充电。

交换式充电器在整电池电压及输入电压范围具有低功率损耗的特性，这方面明显地比线性式充电器好．交换式充电器同时也有一优点比脉冲式充电器佳，即其在不同的输入电压范围下，仍具有良好的充电效能，此特点允许交换式充电器能使用比脉冲式充电器较小较便宜的AC Adapter。

交换式充电器的主要缺点为其电路及被动元件电感电容占较大的空间及电路的复杂度较高，其他的缺点为交换式电路电感电容所造成的电磁干扰(EMI)及产生的电子杂讯较大，因此在设计电路及进行电路板摆放元件及布局时，需特别小心以避免干扰问题。

《图一 交换式锂电池充电器》

(图一)所示充电器电路具有增进电池寿命及保障系统运作的安全性，本充电电路具有输入电流侦测限制的功能，可根据系统电源使用的电流，自动改变充电电流：当系统电源负载较大时，充电电流较小，系统负载变小时，则增加充电电流，使其不会超过AC Adapter输出电流上限，又能在系统运作时有效地充电。此特点可使研发工程师使用较便宜，较小电流的AC Adapter来设计充电器，同时本充电器能在充电完成时，能将充电电路关闭。对已充饱的电池因漏电或其他因素造成容量降低，能自动地再加以充电；对过份放电的电池以小电流预充，以保电池的安全性，同时也会侦测电池是否已故障，无法继续使用。其他的功能为充电状态的显示，能驱动发光二极体(LED)或与单晶片沟通。

线性充电器

相较于交换式充电器，线性式充电器能有效地缩小充电电路尺寸及降低复杂度。线性式充电器使用一电源电晶体，通常为MOSFET或Bipolar Transistor，从交换转换器的电压，降为电池电压。线性式电路的周边元件数目相当地少，只需输入及输出电容，电晶体及一些电阻去设定电压电流的上限。

线性式的主要缺点为其充电效率不佳，充电器本身只是单纯地使用电晶体从AC Adapter直接降压至电池电压，因此：

举例而言，若以1安培电流充电，AC Adapter电压为5V±10%，电池电压范围从4.2V至2.5V，则充电器的功率消耗为0.3W 至 3.0W。

(图二)所示为一标准的线性式锂电池充电电路．此电路使用MAX1898驱动一电晶体(PMOSFET)，将AC Adapter的电压降至电池电压。此电路比交换式电路简单许多，主要是因为线性式不需要电感电容等滤波电路。在电池电压最低的时候，AC Adapter与电池的电压差最大，此时线性式电路的功率损耗最大。 MAX1898有一预充功能(prequalification state)其能在电池电压小于2.5V时，减少充电电流．此功能可将功率损耗最大的情形，控制在当电池电压大于2.5V的时候。

对充电器输入电压为5V±10%，其最大输入电压为5.5V，计算电路本身的误差值，则MAX1898的最低预充电压为2.375V。因此最差的功率损耗经过电源电晶体为每安培的3.125瓦。对大电流充电时(约１安培)，此功率损耗可能对体积较小行动电话或个人数位助理产生过热的现象，降低系统的效能。减少充电电流可解决此问题，但会增加充电时间，因此研发工程师需在避免系统过热及缩小充电时间的情形，做一适当的选择。

《图二 线性锂电池充电器》

即使线性式充电器会有功率耗损过大的问题，但其仍不失为无线器材充电器的最佳选择。主要是其电路无交换式的动作，跟其他充电方式比起来，其传导及幅射电磁干扰相对较小。这种低噪音干扰的电路特性，相当适合应用在对干扰敏感的无线器材上。

MAX1898包括一个充电指示讯号，其能直接驱动发光二极体或是通知microcontroller充电状态；电池低电压侦测电路能对过放的电池减少充电电流，在电池充饱后，内建计时器能将充电器关掉。可调式侦测电池电压，对充饱的电池其电压降至某设定值后，自动对其充电的功能。 ISET讯号能够设定充电电流及充电器在定电压模式时指示充电电流的大小。透过数位类比转换器(ADC)或是比较器，能针对ISET上的电压讯号了解充电电流低到其一程度的值，再与计时器配合，可用来当做关闭充电器的条件，此IC同时包含CHG充电讯号及EN/OK整合性输入输出讯号，其能显示充电状态，指示输入电压正常及启动充电电路。

脉冲式充电器

第三种形式的锂电池充电器为脉冲式，其具有线性式及交换式充电器的部份优点。如其良好的充电效率与交换式充电器相当，当在低电池电压时，其电源电晶体为完全导通，让AC Adapter的电流直接流入电池，并由AC Adapter来做电流限制的功能。当电池电压达到充饱所需电压时，充电器开始利用脉冲开关电源电晶体，以提供充电电流，因为在充电时电源电晶体并不是操作在线性区（linear region），而是完全导通，因此其功率损耗比线性式充电器小了许多，此外因脉冲式充电器不需要电感电容的滤波电路，因此其体积比交换式充电器小了许多。

(图三)为MAX1736锂电池脉冲式充电器，其具有线性式充电器简洁的电路及较少的周边元件，因为脉冲式充电器低功率损耗，不会有如线性充电器需考量充电时间以及散热的问题。然而脉冲式充电器有些特别的需求，如AC Adapter需具有电流限制的功能，而且其电流限制的精确度要求较高，这类AC Adapter并不是很普遍而且价格也较昂贵。在某些情况之下，因系统需求具电流限制功能的AC Adapter，使用脉冲式充电器不会增加额外的成本。

《图三 脉冲式锂电池充电器》

MAX1736能自动对电压小于2.5V的电池以小电流6mA充电，以确保过放电池的安全性，然而，此充电器不会自动停止充电。一般而言，MAX1736在充电电流小于最大充电电流的10%时会停止充电。设定此种充电停止模式，MAX1736的GATE讯号直接驱动单晶片的输端。在侦测GATE讯号的duty cycle小于10%时，单晶片输出一讯号驱动MAX1736的EN脚位，使MAX1737停止充电．当MAX1736的EN为LOW时，其漏电流小于2(A，以防止电池充饱后对充电器的漏电流过大。

结论

在决定使用交换式、线性式或脉冲式充电器时，有各种不同的考量：交换式充电器在不同的输入电流及不同充电电流的情形下，均具有良好的充电效率，但其电路复杂且成本较高；线性式充电器电路就简单多了且不占过多空间，但在大部分的情况下，其充电效率较差；脉冲式充电器的充电效率佳，其所占空间也较小与线性式相当，但需要配合价格昂贵且不普遍的具电流限制功能的AC Adapter才能运作。研发工程师可根据各式充电器特点，考量实际需求来选择一最适合的充电器架构。