采用混合信號方法的電池充電器的設計

隨著(zhù)電池供電的電子設備的應用范圍越來(lái)越廣，功能越來(lái)越強大，對具有良好適用性的電池充電器設計的需求也應運而生。如果只采用標準元件，電池充電器設計可以變得更靈活、更具有成本效益。但采用混合信號設計，將便于在系統中增加新的功能，同時(shí)也使在系統中增加差異化特性成為可能。

品種繁多的各種化學(xué)電池被廣泛用于可再充電便攜式應用中，包括鋰離子電池(Li-ion)、鎳氫電池(NiMH)、鎳鎘電池(NiCd)和鉛酸電池。在所有電池類(lèi)型中，鋰離子電池的能量密度最高，從而成為所有可再充電電池中最便于攜帶的電池。鎳氫電池因為具有良好的安全性和環(huán)保性能，其應用也很普及。設計一個(gè)可以為這兩種化學(xué)電池充電的混合信號通用型電池充電器是有可能的。

充電或放電速率與電池容量有關(guān)。充電速率(即C倍率)即為充電或放電電流，定義為I=M ×CN。其中，I為充電或放電電流(安培)，M為C的整數倍或分數倍，C為額定容量的數值(安培小時(shí))，N為定義C的時(shí)間(小時(shí))。

一個(gè)放電速率為1C的電池會(huì )在1個(gè)小時(shí)內放完其標稱(chēng)額定容量。例如，如果額定容量為1000 mAh，放電速率為1C，則相應的放電電流為1000mA。類(lèi)似地，如果放電速率為0.1C，則相應的放電電流為100mA。

圖1：鋰離子電池需要恒定或者受控的充電電流算法和恒壓充電算法。

首選的充電技術(shù)

鋰離子化學(xué)電池采用恒定或受控制的電流和恒壓充電算法，分成涓流充電、恒流充電、恒壓充電和充電終止4個(gè)階段(圖1)。鎳氫電池的首選充電算法由涓流充電、恒流充電、top-off充電和充電終止組成(圖2)。

第1階段：涓流充電。涓流充電為深度耗竭的電池恢復電荷。對于鋰離子電池，當電池電壓在大約3V以下時(shí)，電池就會(huì )以最大0.1C的恒定電流充電。對于鎳氫電池，當每個(gè)電池的電壓低于0.9V時(shí)便進(jìn)入涓流充電狀態(tài)。

第2階段：恒流充電。對于鋰離子電池和鎳氫電池，當電池電壓超過(guò)涓流充電閾值后，充電電流增加，進(jìn)入恒流充電狀態(tài)。恒流充電電流應在0.1C到0.2C的范圍內。

第3階段：恒壓充電。此過(guò)程僅適用于鋰離子電池。當電池電壓上升到4.2V時(shí)，恒流充電結束并進(jìn)入開(kāi)始恒壓充電狀態(tài)。為獲得最佳性能，電壓調節容差應小于1%。

第4階段：充電終止。不建議對鋰離子電池繼續進(jìn)行涓流充電，而最好選擇充電終止。對于鎳氫電池，一定時(shí)間的涓流充電可確保達到100%的電池容量利用率。當一定時(shí)間的top-off加足充電過(guò)程完成后，就需要終止充電。

對于鋰離子電池，最小充電電流、定時(shí)器或者這兩者的組合是終止充電過(guò)程的典型方法。最小充電電流方法可在恒壓充電階段監視充電電流，當充電電流減小到0.02C到0.07C的范圍時(shí)，便終止充電過(guò)程。定時(shí)器方法在恒壓充電開(kāi)始時(shí)計時(shí)，連續充電兩小時(shí)后終止充電。以這種方式充電，可以在大約2.5小時(shí)到3小時(shí)內給一個(gè)深度耗竭的電池充足電能。

高級充電器還具有一些附加的安全功能，例如許多高級充電器在電池溫度低于0°C或高于45°C時(shí)便會(huì )停止充電。

鎳氫電池是根據電池包的-dV/dt讀數、+dT/dt(溫度隨時(shí)間的變化率)讀數或兩者的結合來(lái)終止充電過(guò)程的。在這種情況下，溫度感應既是一個(gè)可行的安全預防措施，也是一個(gè)終止充電過(guò)程的方法。

圖2：鎳氫電池的首選算法由涓流充電、恒流充電、top-off充電和充電終止四個(gè)階段組成。

系統考慮因素

輸入電源：許多應用使用非常便宜的墻上電源插座作為輸入電源。其輸出電壓極大地取決于寬范圍的交流輸入電壓以及從墻上電源汲取的負載電流。通過(guò)汽車(chē)電源適配器充電的許多應用也可能會(huì )遇到同樣的問(wèn)題。汽車(chē)電源適配器的輸出電壓范圍一般為9V~18V。

輸出電壓調節精度：對鋰離子電池而言，輸出電壓調節精度對實(shí)現電池容量利用率最大化非常關(guān)鍵。輸出電壓調節精度稍微降低一點(diǎn)，電池容量就會(huì )下降很多(圖3)。但是，出于安全和可靠性考慮，不能設置一個(gè)任意高的輸出電壓。

充電終止的方法：過(guò)充是鋰離子電池和鎳氫電池致命的弱點(diǎn)。精確的充電終止方法對安全可靠的充電系統是必不可少的。

電池溫度監視：可再充電電池的典型溫度范圍為0°C~45°C。在這個(gè)溫度范圍之外的溫度下充電可能導致電池過(guò)熱。在充電周期內，電池內部的壓力會(huì )增加，從而引起電池膨脹。由于溫度和壓力是直接相關(guān)的，所以電池內部高壓和高溫的綜合作用會(huì )導致電池發(fā)生機械性破裂或漏液。在0°C至45°C的溫度范圍之外進(jìn)行充電也可能損壞電池的性能，或者縮短電池壽命。

“電池放電電流”或“反向漏電流”：在許多應用中，即使沒(méi)有輸入功率，充電系統仍然與電池保持連接。當沒(méi)有輸入功率時(shí)，充電系統可讓電池的電流消耗減至最少。最大的電流消耗應小于幾微安，理想情況下應小于1μA。

圖3：容量損失與充電電壓下降的關(guān)系表明，輸出電壓精度稍微下降就會(huì )引起電池容量的大幅降低。

電池充電器的設計

理解了這些系統設計考慮因素之后，我們就可以開(kāi)發(fā)出適當的充電管理系統。例如，如果能獲得經(jīng)過(guò)精確調節的輸入電源，就可以采用線(xiàn)性充電方案。在這些應用中，線(xiàn)性充電方案在易于使用、尺寸和成本方面的具有優(yōu)勢。

對于寬電壓范圍的輸入電源來(lái)說(shuō)，比如未經(jīng)調節的AC/DC墻上電源或汽車(chē)直流輸入電源，使用開(kāi)關(guān)調節器可以將內部的電池充電器功率消耗降低到一個(gè)可以接受的水平。開(kāi)關(guān)調節器拓樸定義了調節器開(kāi)關(guān)和無(wú)源濾波元件的組成。組成上的差異可以區分不同的拓樸，從而在復雜性、效率、噪聲和輸出電壓范圍之間進(jìn)行折衷。轉換器的拓樸有很多種，但適用5W~50W范圍的電池充電器的拓樸卻不多。

降壓型調節器是電池充電應用普遍采用的一種拓樸。降壓型調節器輸入電流是脈沖電流或“不連續的電流”(見(jiàn)圖4b)。這個(gè)拓樸方案會(huì )在電源的輸入端產(chǎn)生很高的電磁干擾(EMI)，因此，大部分降壓型調節器都需要額外進(jìn)行輸入EMI濾波。

降壓型調節器只能調節低于輸入電壓的輸出電壓。但某些應用的輸入電壓范圍很寬，可以超過(guò)輸出電壓的范圍，這在多節鋰離子電池的充電器應用中更為常見(jiàn)。

單故障模式(降壓開(kāi)關(guān)短路)將造成輸入與電池之間的短路。這對缺乏內部電池保護的鎳氫電池來(lái)說(shuō)，會(huì )帶來(lái)安全問(wèn)題。降壓型調節器需要一個(gè)用于驅動(dòng)N通道MOSFET開(kāi)關(guān)的高端驅動(dòng)電路，這比低端拓樸更復雜。

在脈寬調制(PWM)控制器應用中，外部開(kāi)關(guān)電流的感應非常復雜。限制開(kāi)關(guān)電流對電池短路或負載短路等故障模式很重要，如果限制高速開(kāi)關(guān)電流，那么短路時(shí)電池充電器就會(huì )燒毀。

單端初級電感轉換器(SEPIC)也是普遍應用在電池充電器件中的一種拓樸。與降壓型調節器和其它調節器相比，SEPIC調節器具有很多優(yōu)點(diǎn)，盡管它們也有一些缺點(diǎn)。

為舉例說(shuō)明這些基本概念，讓我們來(lái)分析一個(gè)具體的電池充電器設計。通過(guò)將這個(gè)設計分為兩部分，可以開(kāi)發(fā)出一個(gè)用戶(hù)買(mǎi)得起的智能化電源系統。電池充電器本身就是一個(gè)混合信號系統。例如電源系統(在本例中即SEPIC調節器)就是模擬的。以很高的頻率打開(kāi)和關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)需要某些類(lèi)型的模擬驅動(dòng)電路；另一方面，充電終止定時(shí)器、故障管理和開(kāi)關(guān)控制一般都是具有定時(shí)器和可編程能力的數字功能。

在這個(gè)例子中，輸入電壓為6V ~20V；輸出電壓在一節電池時(shí)為0V~4.2V，兩節電池時(shí)為0V~8.4V；預調電流為200mA；預調閾值為3V；恒流充電電流為2A；充電終止閾值為100mA(完成充電時(shí)的電流)。

該系統具有如下特性：1)過(guò)壓保護(電池去除)；2)過(guò)流保護(電池或負載短路)；3)可感應電池溫度，以反映充電質(zhì)量；4)采用兩部分的方法實(shí)現混合信號設計。首先選擇一個(gè)可以讀取電池包狀態(tài)(電壓和溫度，以及對SEPIC調節器輸出電流進(jìn)行編程)的微控制器，本例采用PIC12F683 8管腳閃存微控制器；然后增加一個(gè)像MCP1630這樣的帶內置MOSFET驅動(dòng)器的高速模擬PWM控制器，來(lái)開(kāi)發(fā) “模擬”可編程電流源。

圖4：在電池充電設計中采用降壓型調節器拓樸(a)時(shí)，脈沖電流輸入(b)會(huì )產(chǎn)生大量電磁干擾(EMI)。

SEPIC可編程電流源的設計

與所有開(kāi)關(guān)調節器設計一樣，輸出是通過(guò)改變占空比或開(kāi)關(guān)導通時(shí)間百分比來(lái)控制的(圖6中的Q1)。為調節流入電池的電流，就必須充電電流進(jìn)行感應。如圖6所示，在該電路中并沒(méi)有與電池串聯(lián)的感應元件。

在SEPIC調節器的次級繞組(LS)上具有平均輸出電流，在初級繞組(LP)具有平均輸入電流。次級電阻RSENSE感應電池充電電流，而高速模擬PWM基準輸入則對想要的電池充電電流進(jìn)行編程。

從圖6可以看出，MCP1630模擬PWM控制器和驅動(dòng)器形成了“可編程”的SEPIC電流源，PWM和驅動(dòng)器為模擬電流調節、MOSFET門(mén)驅動(dòng)和高速過(guò)流保護提供電源，微控制器則設置SEPIC power-train的開(kāi)關(guān)頻率(500kHz)，并對SEPIC恒流進(jìn)行編程。

PWM及驅動(dòng)器利用微控制器硬件PWM設置SEPIC開(kāi)關(guān)頻率和最大占空比。硬件PWM的頻率等于SEPIC power-train的開(kāi)關(guān)頻率。硬件PWM占空比則設置SEPIC power-train的最大占空比。

來(lái)自微控制器硬件PWM的占空比為25%、頻率為500kHz的脈沖將SEPIC開(kāi)關(guān)頻率設為500kHz，最大占空比設為75%。利用簡(jiǎn)單的RC濾波電路，一個(gè)標準微控制器的I/O管腳就可生成一個(gè)軟件可編程的基準電壓，這個(gè)可編程的基準電壓可以對恒流SEPIC轉換器的充電電流進(jìn)行精確編程。

在非反相輸入端(VREF)，可編程基準電壓可以設置電池充電的電流量。MCP1630 PWM輸出占空比(VEXT)不斷調節，直到VREF輸入端電壓等于誤差放大器FB輸入端的電壓。通過(guò)調節VREF輸入端的電壓，電池充電電流也得到相應調節。

PWM及驅動(dòng)器可以利用內部的高速(典型值為12ns)比較器，在監視SEPIC開(kāi)關(guān)電流的同時(shí)，以高于500kHz的頻率驅動(dòng)MOSFET。如果開(kāi)關(guān)電流過(guò)大，PWM的工作周期將停止，以限制電池電流。最終，充電電流是根據從模數轉換器(ADC)接收到的電池電壓、溫度等信息來(lái)進(jìn)行調節。

為開(kāi)發(fā)恒壓充電階段，微控制器ADC需讀取電池電壓，并更新可編程電流源(SEPIC)，以便將電池電壓維持在4.2V。這個(gè)過(guò)程比恒流充電時(shí)的電池電壓變化速度還要快。

圖5：與降壓型調節器方法相比，SEPIC調節器拓樸(a)從電源(b)汲取連續輸入電流，從而產(chǎn)生只很少EMI。

對于鋰離子電池應用，當電池電壓維持在固定4.2V時(shí)所需的電流，減少到電池C倍率的某個(gè)百分比值(100mA)時(shí)，充電周期便會(huì )終止。這是通過(guò)固件設置的，因此很容易根據不同電池制造商的推薦進(jìn)行更改。在典型的模擬充電器中，這個(gè)終止充電電流是充電周期電流的百分比值，因此不容易改變。

對于鎳氫電池應用，當電池電壓保持不變或隨時(shí)間下降，或者電池包溫度上升超過(guò)預定值時(shí)，快速充電周期便會(huì )終止。當快速充電終止后，一個(gè)緩慢、定時(shí)的top-off充電過(guò)程便開(kāi)始。ADC輸入和電池包熱敏電阻一起來(lái)感應電池溫度。通過(guò)讀取“TEMP_SENSE”輸入端的電壓，就可以確定電池溫度。

當電池電壓過(guò)高時(shí)，中斷PIC12F683代碼就會(huì )啟動(dòng)過(guò)壓保護。SEPIC轉換器將在不到1μs的時(shí)間內關(guān)斷，使電池端子上產(chǎn)生的過(guò)電壓最小。SEPIC轉換器二極管可以阻斷任何使電池放電電荷回到系統充電器的路徑，一般僅從電池電壓感應路徑汲取靜態(tài)電流。

這個(gè)充電器設計還有一些可選特性。例如，利用單個(gè)微處理器、多個(gè)高速模擬PWM模塊，以及異相開(kāi)關(guān)技術(shù)和輸入功率預算特性，可以為多擴展塢(multi-bay)應用增加充電器擴展塢(charger bay)。因為這些固件可以校準鋰離子電池充電終止電壓和充電電流，所以可以增加系統的精確度。

圖6：基于PIC2F683微控制器和MCP1630模擬PWM控制器的SEPIC混合信號電池充電器。

通過(guò)采用混合信號方法來(lái)開(kāi)發(fā)電池充電器，電池充電器設計可以充分利用模擬和數字領(lǐng)域的最佳技術(shù)優(yōu)勢?；旌闲盘柗椒梢詫?shí)現高頻工作(500kHz)和高速保護(12ns的輸出電流感應速度)的性能，并且可以將濾波元件的尺寸減到最小。另外，系統的數字化可編程功能也允許選擇適宜的充電階段并設置充電電流。

由于這些固件使對設置和電流進(jìn)行編程變得更加容易，所以它們也增強了新的電池充電方法的優(yōu)勢。該方法也使混合信號設計具有相對其它設計的差異化特性。這種類(lèi)型的設計不僅僅局限于鋰離子電池和鎳氫電池應用，它為在系統中引入未來(lái)的可再充電技術(shù)敞開(kāi)了大門(mén)。