利用MCU 設計離線(xiàn)鋰電池充電器

　　高效、低成本及可靠的電池充電器設計可用各種方法來(lái)實(shí)現，但采用8 位閃速MCU 不僅能縮短設計時(shí)間、降低成本及提供安全可靠的產(chǎn)品，而且還能使設計人員以最少的工作量來(lái)進(jìn)行現場(chǎng)升級?？紤]到電池安全充電的成本、設計效率及重要性，基于MCU 的解決方案可為設計者們提供諸多優(yōu)勢。通過(guò)選擇帶適當外圍與閃存的8 位MCU，工程師們能充分利用其優(yōu)勢來(lái)設計一種離線(xiàn)鋰電池充電器。帶2KB 閃存及適當外圍以提供一種廉價(jià)解決方案的飛利浦 80C51 型MCU 就是這樣一個(gè)例子。集成化閃存還能提供高效及方便地調試應用代碼并進(jìn)行現場(chǎng)軟件升級(如果需要)的能力。由于設計界不僅熟悉而且廣泛接受8 位MCU，故軟硬件開(kāi)發(fā)可快速進(jìn)行。由眾多廠(chǎng)商提供的各種功能強大且并不昂貴的應用開(kāi)發(fā)工具，也是這種方法的另一項優(yōu)勢。利用這種方法，設計團隊不僅能極大地縮短設計周期，而且還能進(jìn)行更為復雜的設計，并使項目的整體材料費(BOM)不超出可接受的范圍。

　　外圍電路集成

　　譬如，當MCU 集成有內部振蕩器時(shí)，離線(xiàn)鋰電池充電器設計可從以下兩方面獲益。首先，可省掉外部振蕩器，從而節省成本及PCB 占位；其次，內部振蕩器可提高系統啟動(dòng)時(shí)的穩定性。四通道A/D 轉換器是設計工程師們應該尋求集成到芯片中的另一種有價(jià)值的外圍電路。除能比使用外部A/D 轉換器更節約成本外，還能用它來(lái)檢測充電電壓、電流及電池溫度--幾乎包括安全電池充電操作中的所有重要參數。用來(lái)實(shí)現以下所介紹設計的MCU(P89LPC916)不僅集成了上述所有這些特性而且還擁有可同時(shí)在兩個(gè)時(shí)鐘上執行指令的高性能處理器架構，從而將其性能提高至標準80C51 器件的6 倍。Time0(計時(shí)器0)很容易被配置成PWM 輸出，故易于設置及使用PWM 功能。

基本電池充電標準

　　本設計為專(zhuān)門(mén)針對額定700-750mAh 、3.6V 放電電壓及4.2V 電壓極限的鋰電池充電器解決方案。充電順序分成以下三個(gè)階段：預充電階段、恒定電流充電階段及恒定電壓充電階段。當電池只剩下很少的電量且因此而只能產(chǎn)生很低的輸出電壓時(shí)，就必須有預充電階段。在此情況下，必須采用低電流充電以保護電池。但如果被充電電池可產(chǎn)生較高電壓(>3V)，則可省略掉預充電階段。當然，這是最普遍的情況。大部分電能是在恒定電流及恒定電壓充電階段從充電器流入電池。電池的最大允許充電電流由該電池的額定容量決定。對于快速充電，例如額定700mAh 的電池，可用350-400mA 電流來(lái)充電。在鋰電池情況下，MCU 必須在保持電池正常充電電壓的同時(shí)還監視充電電流，以在電池充滿(mǎn)時(shí)能終止充電過(guò)程。溫度監視可用來(lái)確保執行安全的充電步驟，因為隨著(zhù)電池充滿(mǎn)，任何額外的電能都將被轉換成熱量。盡管MCU 必須為其完成的功能增加溫度監視，但當今市場(chǎng)上的大多數鋰電池都帶有內置過(guò)充電保護，故溫度監視盡管需要但卻很少使用。

降壓轉換器設計

　　若要設計一種帶錐形端接特性的充電器，最有效及最經(jīng)濟的方法是采用降壓轉換器來(lái)作為開(kāi)關(guān)調整器。降壓轉換器使用電感來(lái)儲存電能。圖1a 及1b 分別為開(kāi)關(guān)處于通/斷位置時(shí)的降壓轉換器工作示意圖。

 
圖1：(a)：降壓轉換器開(kāi)關(guān)“開(kāi)”；(b)：降壓轉換器開(kāi)關(guān)“關(guān)”。

　　來(lái)自PWM 的信號控制充電開(kāi)關(guān)。當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)(圖1a)，電流由于充電器提供的電壓(充電器Vin)而流過(guò)電路，此時(shí)電容通過(guò)電感充電。當開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)(如1b 所示)，電感試圖通過(guò)感應電壓來(lái)保持電流流動(dòng)，但它不能立刻充電。然后電流流過(guò)肖特基二極管并給電容充電。此過(guò)程循環(huán)往復。當通過(guò)減少PWM 占空比來(lái)縮短開(kāi)關(guān)“通”時(shí)間時(shí)，平均電壓減少。相反，當通過(guò)增加PWM 占空比來(lái)延長(cháng)開(kāi)關(guān)“斷”時(shí)間時(shí)，平均電壓增加。故通過(guò)控制PWM 占空比來(lái)使MCU 調整充電電壓(或電流)可達到所需的輸出值。在討論設計細節以前，需先討論與電感及電容有關(guān)的兩個(gè)要點(diǎn)：

　　1．電感大小不難看出，確定降壓轉換器電感的大小是達到合適充電電壓及電流的關(guān)鍵。電感大小也與成本有關(guān)。電感容量可用公式1 來(lái)計算：公式1 其中：Vi：輸入至開(kāi)關(guān)的充電器電壓；Vsat：開(kāi)關(guān)“通”時(shí)開(kāi)關(guān)的電壓損失；Vo：電壓輸出；T：PWM 周期；DutyCycle：PWM 占空比；Io：電流輸出(亦即恒定電流充電)。公式1 顯示PWM 的開(kāi)關(guān)頻率越高(亦即開(kāi)關(guān)周期T 越小)，則所需的電感越小，這有助于減少器件成本。

　　2．電容大小還需注意的是，此電路中的電容完全是用來(lái)減少紋波電流，故越大越好，因為紋波與電容值成反比。
設計要點(diǎn)

　　本設計基于飛利浦P89LPC916 型MCU，其整體設計思想是，通過(guò)先用恒定電流充電、然后再用恒定電壓充電來(lái)實(shí)現盡可能快的充電。MCU還控制用于指示充電器工作狀態(tài)的LED。

　　1．精密電源VDD 需采用精密電壓源，因為此電壓被用作DA-DA 轉換器的電壓參考。低壓降(LDO)調整器為該電壓源的最佳選擇，且本設計采用3 端LDO LM1117 來(lái)為VDD 提供精密3.31 V 電源。
輸出解決方案Timer0(定時(shí)器0)的一個(gè)通道用來(lái)產(chǎn)生控制降壓轉換器開(kāi)關(guān)的PWM 信號。由于LPC916 帶有其自己的片上RC 振蕩器，故充電更加穩定而有效--尤其在電壓控制工作模式下。所需的PWM 頻率僅大約為14kHz，故能很好地控制在片上振蕩器的頻率范圍內?？赏ㄟ^(guò)改變降壓轉換器的“開(kāi)”時(shí)間來(lái)調整PWM 占空比。

系統設計

　　圖2 為鋰電池充電器系統組成框圖。其中PWM 輸出控制充電開(kāi)關(guān)，且其占空比可根據需要用充電電壓及電流的反饋來(lái)調整。LPC916 的8 位片上高速A/D 轉換器提供了監視充電電壓所需的高精度。避免鋰離子應用中的過(guò)充電非常重要，因為將充電保持在其最大值以?xún)瓤裳娱L(cháng)電池的使用壽命。表1 為該電路的輸入/輸出參數規格。

 
表1：圖2 電路的輸入、輸出參數規格。

　　下一步是計算電感值，首先必須指出的是，公式1 給出了占空比、輸出電流、PWM 周期及其他變量之間的關(guān)系。電感值可通過(guò)假設Vi＝5.1V、所需輸出電壓Vsat＝0.5V(在Io=350mA 上，Vo＝4.25V、所需輸出電流Io＝350mA 、1/T＝14.7kHz 以及占空比為50%來(lái)計算)。采用以上這些值，用公式1 可計算出電感值不小于10µH。在本設計中，建議電感值為33-10µH 。盡管可以采用大于5.1V 的輸入電壓，但更高的輸入電壓要求采用更高頻率的PWM 或更大的電感，從而使器件成本提高。

 
圖2：由LPC916 控制的鋰電池充電器解決方案

　　鋰電池應以三個(gè)獨立的階段來(lái)充電。如果電池電壓低于3V，則需要有預充電階段且充電電流應保持為65mA。一旦電池電壓達到3V+-1% ，即開(kāi)始進(jìn)入快速充電階段，并采用350mA 的恒定充電電流。通過(guò)調整控制脈沖可使充電電流保持恒定。當電池電壓達到4V+-1% 時(shí)，即開(kāi)始接恒定電壓充電階段。此時(shí)電壓被保持在4.23V，充電電流處于監視下。

　　在恒定電壓充電階段之后，電池被另外再充電50 分鐘，同時(shí)保持充電電流小于30mA。充電時(shí)間可用一個(gè)計時(shí)器來(lái)控制，但監視充電終結的方法有三種：檢測充電電流、使用計時(shí)器以及監視溫度(可選)。

 
圖3：鋰電池充電過(guò)程

　　充電過(guò)程如圖3 所示。從一個(gè)階段進(jìn)入到另一個(gè)階段的準確標志如下：預充電階段(當需要時(shí))：如果Vbat<3.0(1%，則設置Iout=10%；Ireg=65mA ；快速充電階段(恒定電流充電)：當Vbat<=4.00+-1%V 時(shí)，設置Iout=Ireg=350mA；計時(shí)器控制充電階段(恒定電壓充電)：當Ibat<60mA 時(shí)，設置Vout=Vreg=4.23V(50 分鐘)以保證電池充分充電，但使充電電流小于30mA。充電在4 小時(shí)內完成?？紤]到最終用戶(hù)，設計中采用了LED 狀態(tài)指示燈，以提供有關(guān)充電序列狀態(tài)的信息。

設計方案的測試

　　可用來(lái)在充電過(guò)程中測試該設計的電路框圖如圖4 所示。用兩塊萬(wàn)用表來(lái)測量Vout 及Vsense_res 讀數。Vout=Vbat+Vsense_res ，充電電流可用公式Iout=Vsense res/0.75 來(lái)計算。

 
圖4：測試電路

　　當充電開(kāi)始時(shí)，每15 秒記錄一次數據，但當電流及電壓穩定后，記錄周期可縮短為每5 秒記錄一次。結果可能會(huì )隨不同電池的化學(xué)特征而變化，而且電池的起始電壓也對結果有影響。圖5 及圖6 顯示該設計滿(mǎn)足指標。

 
圖5：輸出電壓測試結果

 
圖6：輸出電流測試結果