無(wú)線(xiàn)設備中的可編程電池充電技術(shù)

正是用戶(hù)手指底下無(wú)數個(gè)看不見(jiàn)的可編程器件使得手持設備變得如此便利和有趣。這些手持設備配備的電池容量足可以滿(mǎn)足在一個(gè)小孩的注意力集中的時(shí)間段或一個(gè)成人工作日的使用，因此只要電池有機會(huì )重新充電就可以讓人們周而復始地享受它帶來(lái)的樂(lè )趣。一些更高級設備中的充電器更是具有強大的可編程能力，這些充電器不僅可以縮短充電周期，還能延長(cháng)電池的使用壽命。

如今，充電器可編程能力的發(fā)展已遠遠超出了手持設備的上述的這兩個(gè)基本要求，在監視充電電壓和電流的同時(shí)，充電器還能隨時(shí)監測電池溫度，精確地控制電池充電速度，從而實(shí)現最佳的電池容量恢復和安全性。充電器還在電池的使用過(guò)程中連續地監視電池電壓，不僅可以在電池電壓較低時(shí)予以提醒，還能告訴用戶(hù)在電池必須充電之前還可以使用的剩余時(shí)間。

這種可編程性主要在位于設備內的電池充電器的集成電路中實(shí)現，充電器可以與管理設備工作過(guò)程的半專(zhuān)用微處理器交流它獲得的一些信息，關(guān)閉系統中不用的或空閑的部分，從而有效地延長(cháng)電池使用時(shí)間。

雖然這種智能充電器會(huì )給手持設備帶來(lái)明顯的好處，但也不能忽視作為最基本形式的獨立充電器，在有意或無(wú)意缺少微處理器控制的場(chǎng)合這些獨立充電器將是電池維護的主要力量。對這些場(chǎng)合必須引起重視，因為由于某些原因處理器將無(wú)法智能地控制充電器，此時(shí)充電器必須要有一定的自立能力。比如，電池接近耗盡而使微處理器沒(méi)有足夠的工作電壓這種情況就是需要充電器“自立”的情況之一。

另外一種情況是由于某種非破壞性故障從內部切斷了電池組與處理器的聯(lián)系。此時(shí)由外部充電設備直接供電的充電器必須能夠在沒(méi)有微處理器的幫助的情況下，在最短的可能時(shí)間內繼續安全地按電池化學(xué)特性規定的嚴格充電要求正確地給耗盡或開(kāi)路的電池充電。

在根據手持設備使用環(huán)境粗略地定義了相對理想的電池充電器后，讓我們把注意力轉移到外部充電設備。隨著(zhù)工作的進(jìn)一步深入，電氣工程背景逐漸失去作用，因為在規定好電壓和電流要求后，我們發(fā)現最困難的就是選擇封裝、電纜長(cháng)度等任務(wù)。

當然，上述情況是假設充電設備是由交流電源供電或汽車(chē)中的充電適配器二次供電的。主要希望充電器設計能夠經(jīng)受得住偶然的過(guò)充考驗。設計經(jīng)過(guò)了少許的修改后不僅可以實(shí)現自我保護，還能防止電池過(guò)壓。另外一個(gè)可用于手持設備充電的設備是計算機上的USB端口。USB端口可以輸出高達500mA的恒定電流，僅需一根線(xiàn)纜就可建立USB端口和手持設備的電池之間的充電回路。

許多計算機上有豐富的USB端口，因此USB端口已經(jīng)成為充電設備的首選方案，而交流供電的墻體插座則是第二種選擇方案。即使電腦只有一個(gè)USB端口也沒(méi)有問(wèn)題，因為該端口也只是在上載照片和下載MP3等場(chǎng)合用一用。當然，也不能忽視墻體插座的重要性，但與USB端口比起來(lái)，墻體插座有許多缺點(diǎn)，至少會(huì )發(fā)生額外的不必要的費用。最便宜的墻體插座由50Hz的變壓器、整流橋和濾波電容組成，整流器輸出電壓特性相當差，就像交流電壓一樣。增加線(xiàn)性整流器可以改良整流效果，但會(huì )增加功耗?？傊?，交流供電的低端充電設備雖然便宜，但體積大、效率低。高端交流適配器由于使用開(kāi)關(guān)方式供電，因此體積較小、效率也較高，但成本有較大幅度地提高，并且還具有傳導和幅射問(wèn)題。如果要滿(mǎn)足FCC和其它管理機構的要求，還會(huì )進(jìn)一步增加體積和成本。

由于許多人都擁有個(gè)人電腦，工作場(chǎng)所電腦也是無(wú)所不在，因此最終的低成本充電解決方案肯定是USB端口。對經(jīng)常往返兩地的人員來(lái)說(shuō)，只需要為車(chē)輛增加一根充電線(xiàn)纜和現成的連續充電源。下面將具體介紹電池充電器，以及如何獲得最大容量充電器而又不違反USB端口最大的載荷規定。

具有供電能力的USB端口可以輸出5V電壓和高達500mA的電流。使用充電電流為常數500mA的線(xiàn)性充電器時(shí)，容量為1,000mAh的電池只需2個(gè)小時(shí)就能充滿(mǎn)。使用開(kāi)關(guān)模式充電器可以進(jìn)一步提高效率、減少無(wú)源器件的尺寸。圖1是通用的鋰離子電池充電曲線(xiàn)。

圖1：鋰電池的可編程充電曲線(xiàn)

值得注意的是，預充電流只是正常充電電流的一小部分，只有等電池電壓超過(guò)浮充電壓后才能用滿(mǎn)充電流代替預充電流對電池進(jìn)行充電。

開(kāi)關(guān)型充電器必須以盡可能高的頻率工作才能維持其高效率和SMD電感與電容的小型化。集成式的電源開(kāi)關(guān)可以進(jìn)一步減小充電器體積和成本，并提供特定的一些性能優(yōu)勢，如每個(gè)周期的電流限制和電流模式控制。否則，如果開(kāi)關(guān)位于集成式充電器外部的話(huà)成本會(huì )高出很多。雖然集成平均充電電流檢測電路非常有吸引力，但最好還是在充電控制器的外部實(shí)現，可直接與電池串聯(lián)。

與低成本熱敏電阻一起構成的溫度傳感可以為電池帶來(lái)額外的保護和更長(cháng)的壽命。通過(guò)增加與充電器之間的二線(xiàn)接口通信，可以向用戶(hù)提供充電/檢測參數的可編程配置，同時(shí)形成了需要的可以從USB端口工作的智能充電器，可以按預先確定的、可編程的預充和滿(mǎn)充速率給電池充電。

即使在設備關(guān)斷后，可編程性能仍然有效。這可以利用板上EEPROM來(lái)實(shí)現，用戶(hù)可以通過(guò)I2C接口和Windows GUI接口對其進(jìn)行編程?？删幊绦阅馨ǔ潆娺^(guò)程中的一些關(guān)鍵參數，如預充電流、預充到快充的轉換電壓、快充電流、快充到減充轉換電壓、充電終止電流和浮充電壓設置。

還有一些旨在通過(guò)終止充電過(guò)程來(lái)防止電池受損的輔助設置，如預充超時(shí)、快充超時(shí)以及低溫/高溫告警設置點(diǎn)。溫度可以通過(guò)3個(gè)不同標準值的熱敏電阻加以監視，每個(gè)熱敏電阻都對應著(zhù)一個(gè)唯一的恒定電流?？梢酝ㄟ^(guò)I2C命令或可編程極性使能端來(lái)激活充電過(guò)程。狀態(tài)輸出引腳端可以被編程為閃爍或穩態(tài)的開(kāi)路漏極低電平信號，以指示電池正在充電。

電池和充電器狀態(tài)可以通過(guò)I2C接口讀取。狀態(tài)包括空閑、預充、快充和充電結束等充電器狀態(tài)，以及電池沒(méi)裝、過(guò)壓或欠壓、過(guò)溫和欠溫等電池狀態(tài)。用戶(hù)也可以通過(guò)該二線(xiàn)接口獲得三個(gè)充電階段的充電定時(shí)器狀態(tài)。另外，充電控制器經(jīng)過(guò)編程可以自動(dòng)開(kāi)始另一個(gè)再充電循環(huán)，并能通知用戶(hù)目前的充電循環(huán)是否是控制器開(kāi)始工作后的第一次循環(huán)，或控制器開(kāi)始工作后的充電循環(huán)是否已經(jīng)結束。

一旦電池選定后就可以開(kāi)始實(shí)際的設計工作。本案例選擇的是一個(gè)滿(mǎn)充電壓為4.2V、容量為1,000mAh的鋰電池。選用USB端口作為充電電源并要求盡可能快地對電池進(jìn)行充電。為了方便設計，可以運行如圖2所示的Windows GUI工具，并通過(guò)點(diǎn)擊上面的“標準設置”按鈕獲得需要用戶(hù)設置的所有參數。

圖2：通過(guò)Windows GUI可以方便地對充電參數進(jìn)行編程

為了防止USB端口輸出電流超過(guò)限值，根據最大充電電流規定，可以將充電電流定為稍小于USB最大輸出電流減去電池充電器本身和外圍電路偏置電路所需的數十毫安電流。參考GUI工具可以發(fā)現450mA是非常理想的充電電流，即使再加上偏置電路的消耗，也不會(huì )超過(guò)USB端口允許的最大輸出電流限定值。充電電流檢測電阻選用100mΩ。

雖然充電器電流可以設得再高一點(diǎn)，但要考慮充電器工作電流和其它外圍支持電路(如上拉電阻和可視LED指示器)的電流消耗，必須留有余量以確保USB端口最大輸出電流不被超過(guò)。在完成完整的充電曲線(xiàn)后，將預充和終止電流分別設在100mA和25mA。同時(shí)選擇100uA/10k的熱敏電阻以增加熱保護功能，浮充和預充到快充的門(mén)限分別設為4.2V和3.0V。

下一步選擇開(kāi)關(guān)電感和大容量輸出電容。電感的選擇標準是在所選的1.25MHz開(kāi)關(guān)頻率上來(lái)處理20%~25%的紋波電流。L的數值根據下式進(jìn)行粗略的計算：

根據計算結果，可選用15uH的電感。具有低等效串聯(lián)電阻的陶瓷電容是大容量電容的理想選擇?？梢赃x擇等效串聯(lián)電阻為8mΩ的10uF電容，這種電容性?xún)r(jià)