用充電器芯片構成電池充電系統

摘要：本文概括了采用MAXIM 充電器芯片對通用的化學(xué)電池進(jìn)行充電的普遍要求。內容主要包括：系統級的權衡比較，固化軟件的設計要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：充電器、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鉛酸電池

　　在過(guò)去的五年中，由于便攜式設備的市場(chǎng)壓力已經(jīng)使簡(jiǎn)單的電池充電器發(fā)展成能夠在30 分鐘將高性能電池充電結束的復雜的開(kāi)關(guān)模式的系統。這一發(fā)展趨勢已經(jīng)脫離了短短幾年前所倡導的內嵌的單機運行的充電器芯片的發(fā)展方向。而且這些現行的芯片內部具有相當的智能，能夠對高性能電池進(jìn)行復雜的快速充電。今天的電池充電器系統采用隨處可得的單片微處理器的智能來(lái)調節充電器的充電電流和電壓。在大批量的應用中，采用這種方法可以降低成本，而且允許充電器針對具體的應用具有最大的靈活性。原來(lái)充電過(guò)程所有必需的智能算法是駐留在電池充電器控制芯片內部，現在系統設計人員則須采用某種充電算法，編寫(xiě)相應的固化軟件。本文提供了采用MAXIM 充電器芯片構成充電器系統一些必要的信息和背景材料。

（一）、電池充電技術(shù)概述

　　目前實(shí)際使用的4 種化學(xué)電池是：鎳鎘電池，鎳氫電池，鉛酸電池和鋰離子電池。針對這4 種化學(xué)可充電電池的通用充電器狀態(tài)流程圖如圖一所示，電池的快速充電分為以下幾個(gè)階段：

　　雖然初始化本身并不對電池充電，但卻是整個(gè)充電過(guò)程很重要的一步。充電器在此階段對自身進(jìn)行初始化和自檢。充電器在對電池充電過(guò)程中可能由于電源故障而中斷，接著(zhù)重新初始化。如果電池不是智能電池或某種能夠記憶時(shí)間標志的儲存體。我們就無(wú)法知道系統已經(jīng)重新初始化過(guò)了。大多數充電器在一次電源故障后，會(huì )進(jìn)行一次完全的初始化。如果電池不允許過(guò)充電，充電器可以執行一段特別的自檢程序以確定電池是否已經(jīng)充過(guò)電。例如如果充電器上電過(guò)程中有電池插在充電器上，則必須觸發(fā)這樣一個(gè)自檢操作。

　　初始化在好幾種情況下會(huì )帶來(lái)過(guò)充電問(wèn)題。例如一個(gè)固定時(shí)間方式的充電器固定不變地對電池充電4 小時(shí)，如果在電池已經(jīng)充了3 小時(shí)59 分鐘電的時(shí)候，電源出了問(wèn)題。充電器在重新初始化后，對電池開(kāi)始了另外4 個(gè)小時(shí)的充電，導致電池過(guò)充電4 個(gè)小時(shí)。如此的過(guò)充電會(huì )損壞電池。這也是固定時(shí)間充電法很少采用的原因之一。這一例子也說(shuō)明了充電器為什么要檢測電池溫度或采用別的終止充電的方法作為后備措施的原因。

　　充電器在這一階段檢查充電器上是否裝上了電池以及電池是否可以充電。檢查充電器上是否裝上了電池通常是通過(guò)斷開(kāi)充電電源檢測充電器端子電壓來(lái)實(shí)現的。但這種方法帶來(lái)的問(wèn)題是當電池使用過(guò)度的時(shí)候，幾乎沒(méi)有電壓可供測試。作為替換的方法是充電器尋找熱電阻或是短路跳針來(lái)做判斷，而不是尋找電池本身。這一功能也可以用來(lái)識別電池組，智能電池。在另一方面，可以實(shí)現與電池組大量的數據交換。交換的數據通常是通過(guò)系統管理總線(xiàn)提供的必需的電池充電參數，系統管理總線(xiàn)與I2C 總線(xiàn)類(lèi)似。

　　一旦充電器確認電池裝上后，就開(kāi)始確認電池是否是好的，在這一階段，充電器對電池的基本性能進(jìn)行檢查：開(kāi)路，短路，熱或冷，試一下電池是否可充，部分充電器特別是鉛酸電池充電器向電池施加一個(gè)比較小的充電電流（約為正常充電電流的1/5），使得電池在固定的時(shí)間內達到某一個(gè)特定的電壓值。這一技術(shù)的應用避免了充電器錯誤地將深度放電的鉛酸電池認為是不可充的電池。在得到電池生產(chǎn)商許可的情況下，這一方法也可以運用于其他性質(zhì)的化學(xué)電池。

　　對電池和環(huán)境溫度的檢查也是電池鑒定的一部分，當充電器檢測到一個(gè)不正常的高溫或低溫的時(shí)候，通常等待一個(gè)預定的時(shí)間間隔期望溫度返回到額定值。若溫度在預定的時(shí)間內沒(méi)有返回，則充電器將降低充電電流，進(jìn)而降低電池的溫度，提高電池的充電效率。最后要檢測電池是否開(kāi)路或短路，電池的開(kāi)路很容易檢測，但短路電池的測試結果需要確認以避免錯誤的指示結果。若所有的這些檢查通過(guò)那么可以對電池開(kāi)始充電，如圖一所示，狀態(tài)前進(jìn)一步。

 
圖一、通用充電器狀態(tài)流程圖

　　部分充電器（主要是針對鎳鎘電池）包括一個(gè)可選擇的預處理階段。在預處理階段，電池在放電前需進(jìn)行完全的放電。完全放電使每節電池的電壓降低到一伏以下消除電極中的樹(shù)枝狀的結晶組織，樹(shù)枝狀的結晶組織會(huì )引起人們稱(chēng)呼得不太正確的記憶效應。這種所謂的記憶效應實(shí)質(zhì)上是指出現了會(huì )降低電池使用時(shí)間的樹(shù)枝狀結晶組織，但是一個(gè)完整的充放電過(guò)程有時(shí)可以消除這一問(wèn)題。在每次充電前或通過(guò)負載測試或別的什么方法指示電池的容量尚余一半以上時(shí)可以進(jìn)行預處理預處理的時(shí)間從1到10 個(gè)小時(shí)不等。通常不推薦在一小時(shí)內將電池的電放光，快速發(fā)電增加了負載電阻散熱的困難。但通常也不推薦大于10 個(gè)小時(shí)的預處理時(shí)間。除非當檢測到鎳鎘電池具有與記憶效應相混淆的容量降低時(shí)，可以人工啟動(dòng)大于10 小時(shí)的預處理，故系統設計者應避免在充電器上設置初始化按鈕以防止這種操作。

　　具體電池所采用的快速充電及終止方法取決于電池的化學(xué)機理和其他的設計因數，下面的討論包含了目前通用化學(xué)電池中廣泛采用的快速充電技術(shù)。至于特別的規則或推薦方法，請向電池生產(chǎn)商的應用部門(mén)咨詢(xún)。

　　NiCd 和NiMH 電池的充電過(guò)程非常相似，差別主要在快速充電的終止檢測方法上。在每種情況下，充電器對電池進(jìn)行恒流充電同時(shí)監測電池的電壓和其他參數以決定何時(shí)終止充電。充電可以采用超過(guò)2C 的速率。但采用的最多的是C/2 速率。因為充電效率一般小于100%，故以C/2 的速率充滿(mǎn)一個(gè)電池需要2 個(gè)小時(shí)多一點(diǎn)的時(shí)間。

　　在恒流方式充電時(shí)，電池電壓會(huì )緩慢地上升達到一個(gè)峰值（斜率為0 的一個(gè)點(diǎn)），NiMH 電池的充電須在這個(gè)峰值點(diǎn)終止，而鎳鎘電池的充電則須在峰值點(diǎn)后當電池電壓第一次下降了一個(gè)-∆V 的某個(gè)點(diǎn)終止，如果在電池充電終止之后繼續對電池進(jìn)行充電會(huì )最終損壞電池。

　　當充電速率大于C/2（這樣充電時(shí)間將小于2 小時(shí)）時(shí)，充電器也要監測電池的溫度和電壓。因為當電池快要充滿(mǎn)電的時(shí)候，電池的溫度會(huì )急劇上升。監測溫度提供了另一種電池充電終止技術(shù)，這種基于正溫度斜率的終止方法叫∆T 終止法。包括充電時(shí)間，最大電池電壓在內的其他因素也可以用來(lái)終止充電，一個(gè)設計完善的充電器通常通過(guò)這些因素的綜合來(lái)終止充電。

圖二、充電速率為C/2 時(shí)Nicd 電池的充電特性

圖三、Li+電池電壓與充電電流

　　鋰離子電池的充電方法不同于鎳基材料的化學(xué)電池它采用頂點(diǎn)截止法充電以保證安全地將最多的能量?jì)Υ嬖陔姵刂?。鋰離子電池充電器提供一個(gè)穩定精度超過(guò)0.75%的充電電壓,最大充電速率由充電器的電流極限范圍確定,跟實(shí)驗室用的穩壓電源很相似(圖3)。當快速充電開(kāi)始的時(shí)候，電池電壓較低，充電電流即為充電器電流極限，隨著(zhù)充電的繼續進(jìn)行，電池電壓緩慢上升，最終當每節電池的電壓達到浮空電壓值4.2V 時(shí)，充電電流快速下降。

　　當電池電壓達到浮空電壓時(shí)，充電器即可終止充電。但這忽略了頂端截止操作。一種備用的方法是當電池達到浮空電壓時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，然后在一個(gè)固定的延時(shí)后終止充電。另一種方法是檢測充電電流，當充電電流跌落到一個(gè)下限值時(shí)終止充電典型值是限流值的5%，某些生產(chǎn)商推薦高一點(diǎn)的100 毫安的下限值）。頂端截止就是采用這樣的技術(shù)。

 
　　在過(guò)去的幾年里，鋰離子電池，充電器都得到了改進(jìn)，對電池的化學(xué)機理也有了進(jìn)一步的了解。早期的鋰離子電池具有影響安全的不足之處，但今天設計良好的系統不會(huì )出現這些問(wèn)題。盡管生產(chǎn)商的推薦各種各樣，鋰離子電池確實(shí)在持續不斷地發(fā)展。

　　鉛酸電池一般采用限流法或者是更簡(jiǎn)單的限壓法進(jìn)行充電。限壓法的方式與鋰離子電池的充電法很相似，但不需要那么高的精度。他要求限流電壓源的電壓值比電池的浮空電壓（約2.45V）略高一點(diǎn).

　　在預處理操作確保電池可以充電時(shí),充電器即開(kāi)始電池進(jìn)行快速充電,直到充電電流降低到最小值時(shí)終止快速充電(這一過(guò)程與鋰離子電池充電器很相似),轉入浮充狀態(tài)對電池充電(浮充電壓一般為2.2V)。鉛酸電池允許長(cháng)時(shí)間地進(jìn)行浮充。

　　當溫度升高時(shí)，鉛酸電池的快充電流應該以每升高一度降低0.3%的速率降低。鉛酸電池快充的最高推薦溫度為50℃，但浮充不受這一溫度的限制。

充電

　　所有化學(xué)電池的充電器通常包含一個(gè)可選的頂端截止階段。這階段是在快速充電結束后，再以適當的充電電流使電池充滿(mǎn)電（這一操作與給汽車(chē)油箱加油很類(lèi)似，當泵自動(dòng)停止以后，再用小流量給油箱補滿(mǎn)油）。當電池電壓溫度，時(shí)間達到某一極限值時(shí)，頂端截止階段結束。在一般情況下，頂端截止階段可以延長(cháng)電池5%到10%的使用時(shí)間。這里要特別提醒的是電池這時(shí)已經(jīng)充滿(mǎn)電或者接近充滿(mǎn)電，過(guò)充會(huì )損傷電池。

　?。ㄡ槍λ谢瘜W(xué)電池的充電器通常包含一個(gè)可選的涓流充電狀態(tài)，這一階段用于補償電池的自放電。鉛酸電池自放電的速度最高每天有幾個(gè)百分點(diǎn)的自放電），鋰離子電池的自放電速度最低。所以不需要對鋰離子電池進(jìn)行涓流充電。鎳鎘電池涓流充電的速率一般為C/16。鎳氫電池的安全連續電流一般為C/50。但一般不推薦對鎳氫電池進(jìn)行涓流充電。

　　涓流充電的另一種形式是脈沖涓流充電。充電器提供幅度為C/8 的低占空比的脈沖涓流，典型的平均涓流值為C/512。對兩種鎳基電池進(jìn)行脈沖涓流充電都很適合于采用微機進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制。

（二）、通用充電系統在考慮如何設計一個(gè)實(shí)用的充電線(xiàn)路時(shí)，設計者應該先了解充電器的基本模塊和特點(diǎn)。所有的快速充電器在形式上應包含這些功能模塊：一般來(lái)自墻上插座的未經(jīng)穩壓的直流大功率電源，充電電壓和充電電流的控制信號，對于廉價(jià)的充電器，電壓電流調整器件通常是功率晶體管或其他能夠將電功耗轉化為熱的線(xiàn)性器件也可以是降壓型的開(kāi)關(guān)電源，降壓型的開(kāi)關(guān)電源內部若采用二極管，則工作效率一般，如采用同步整流技術(shù)，工作效率最高。

　　圖6 中的模塊中表示了各種測控功能，模擬電流控制回路限制電池的最大充電電流，電壓控制回路保持了電池充電電壓的恒定（注：鋰離子電池對充電電壓的要求較高）。

　　充電器的電流電壓特性曲線(xiàn)可以全部程控設定，或在限壓的條件下程控設定電流（或相反）。通常要測試電池的溫度，當溫度高于某個(gè)閾值，或溫度變化速率超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，終止充電。充電器也測量充電時(shí)間，通常采用智能模塊計算這一充電時(shí)間。智能模塊提供系統所需的全部智能，實(shí)現前面提到的狀態(tài)機，它知道應該何時(shí)以何種方法終止快速充電。單機運行的充電器芯片內部包含了這些智能算法也可將這些智能算法駐留在微處理機中或充電器的其他硬件模塊中。正如前面所提到的那樣，目前采用的較多的后一種結構。

圖六、通用充電系統框圖

（三）、MAXIM 充電器用集成電路概述：

　　MAXIM 生產(chǎn)范圍廣泛的單機運行和控制器型的電池充電器集成電路，集成電路的多樣性可以讓設計人員在性能特性和成本之間權衡折衷。表1按照產(chǎn)品推出的順序列出了這些適用于化學(xué)電池充電的集成電路，在上面的是最新推出的產(chǎn)品。

 
　　選擇線(xiàn)性調節方式還是選擇開(kāi)關(guān)調整方式是一個(gè)很重要的設計決策。線(xiàn)性模式成本較低，但他會(huì )消耗功率而發(fā)熱。對一個(gè)大的臺式充電器來(lái)說(shuō)發(fā)熱也許不會(huì )是一個(gè)問(wèn)題，但是對筆記本電腦這樣的小系統，發(fā)熱卻是無(wú)法接受的。同步整流方式的調壓器的效率最高（在90%左右），這一特點(diǎn)使之能夠適用于象蜂窩電話(huà)這類(lèi)小體積的系統。非同步整流方式的調節電路的效率一般。另外大部分的線(xiàn)性器件也可以應用于中等效率的不常推薦的開(kāi)關(guān)模式

　　充電器的自身獨立工作的性能也是一個(gè)設計決策問(wèn)題，例如單機運行的充電器本身內部就什么都有了象MAX712/713,MAX2003,MAX2003A 連用戶(hù)終端設備使用的LED 輸出的控制信號都提供了。

　　另一些器件可以單機運行也可以和數模轉換器，微處理機一起工作。這一類(lèi)包括MAX1640/MAX1641，MAX846A 和MAX745。MAX1640,主要打算用在鎳基電池充電上的集成限壓電流源，內部包括一個(gè)充電定時(shí)器和脈沖涓流充電線(xiàn)路。它具備單機運行的特點(diǎn)，也可以與高效的同步開(kāi)關(guān)調壓器，低價(jià)位的標準開(kāi)關(guān)器件合起來(lái)使用。

　　MAX846A 和MAX745 都可以單機運行對鋰離子電池進(jìn)行充電。他們內部包含通用控制器所必需的高精度基準源和獨立的電壓，電流控制回路。MAX846A 采用線(xiàn)性工作模式，MAX745 是同步開(kāi)關(guān)模式。雖然他們都可以單機運行，但一般都和微處理機合用。微處理機對充電過(guò)程進(jìn)行有限的控制?？刂芁ED 及快速充電的終止一般由軟件來(lái)完成，MAX846A 內部包含一個(gè)線(xiàn)性調壓器及微處理機用的CPU 復位輸出信號。最靈活的器件是MAX1647 和MAX1648，除了MAX1647 具有內部的DAC 和SMBus 串行接口，MAX1648 具有電壓，電流模擬量控制接口外，他們基本相似，MAX1647 是一個(gè)具有獨立的電壓，電流寄存器的完整的接受串行數據控制的直流電源，可以和智能電池進(jìn)行SMBus 通信，符合Intel/Duracell 智能電池的Level 2 標準。

（四）、采用微處理機設計點(diǎn)滴：

　　充電器一般采用象8051, PIC, 68HC 11或68HC05 之類(lèi)廉價(jià)的8 位單片機。固化軟件可以用匯編編寫(xiě)，也可以用C 編寫(xiě)。兩種語(yǔ)言較易獲得，價(jià)格低廉而且有免費的開(kāi)發(fā)工具，其他相關(guān)組織及這些器件的生產(chǎn)商已經(jīng)成套提供了編譯器，匯編器，仿真器和代碼庫，庫源代碼的大部分內容特別是工具箱中的程序可以從WWW 網(wǎng)址上獲得。

　　所有通用的8 位單片機都可以用在充電器中，但如何選擇某一具體的單片機超出了本文的范圍。這些單片機內部可以具有諸如AD,DA,SMBus 串行接口之類(lèi)的外設器件，但是需要外部AD,DA 的簡(jiǎn)化型微處理器也很有用，這些簡(jiǎn)化型的單片機通常更加靈活好用。充電器對ROM 和RAM 的要求中等。在一般情況下，單一電池種類(lèi)的充電器的代碼段不超過(guò)0.5KB, RAM 只要32 字節（對低檔的PIC 單片機來(lái)說(shuō)都是很簡(jiǎn)單的要求）。巧妙一點(diǎn)增加大約50% 的代碼，就可以編寫(xiě)出針對多種化學(xué)電池的通用程序。

　　開(kāi)發(fā)單片機程序代碼的最簡(jiǎn)單的途徑是從一個(gè)框架或一小段相似的代碼入手，逐漸修改至適合你的要求，這樣有了快速工作的原型，克服了許多空白點(diǎn)，編譯/匯編錯誤。不幸的是網(wǎng)上只有有限數量的電池充電器軟件，而且都是針對標準應用的。盡管如此，“硬件和軟件設計范例”還是提供了一個(gè)起點(diǎn)，參閱“參考文獻”尋找更難的工具程序的某些信息。例如SMBus 通信和數學(xué)程序，及解釋說(shuō)明這些設計的程序設計示例。

（五）、充電器程序結構點(diǎn)滴：
　
　　編寫(xiě)電池充電器的軟件最直接的方法是采用狀態(tài)機定義一個(gè)狀態(tài)變量或一組代表目前狀態(tài)的標志。這樣代碼段就成為根據狀態(tài)變量動(dòng)作的大的因果動(dòng)作。代碼模塊根據當前狀況修改狀態(tài)變量的值，不允許的或無(wú)法解釋的狀態(tài)會(huì )帶來(lái)潛在的問(wèn)題。所有的“當”判斷都必須有默認值以剔除這些不允許的或不可能的狀態(tài)修正他們。程序中要一直包含檢查這些狀態(tài)的功能，在異常情況下，自動(dòng)停止充電器的動(dòng)作。

　　編寫(xiě)程序時(shí)保持代碼簡(jiǎn)單易懂，盡可能避免采用多重中斷，復雜的多任務(wù)或排隊結構。采用單一的定時(shí)器中斷是保存時(shí)間變量的最有效的方法。若CPU 有帶中斷的定時(shí)器，則用他來(lái)保存系統定時(shí)標志。這一功能強大的技術(shù)是非中斷原則的一個(gè)例外。若CPU 沒(méi)有定時(shí)器中斷（例如PIC16C5X），則采用查詢(xún)系統定時(shí)器RTC 的方法，在設計程序代碼時(shí)保證定時(shí)器在兩次查詢(xún)之間不會(huì )溢出即可。

　　避免使用硬件中斷，而在定時(shí)器觸發(fā)設置的固定時(shí)間間隔內去輪詢(xún)硬件輸入。代碼可以實(shí)時(shí)地執行，但是不必對外部激勵立即作出反應。確認電池是否裝上要花費100 毫秒的時(shí)間是完全可以接受的?？紤]到電池充電需要一個(gè)小時(shí)，單機運行的典型性能是每分鐘計算一次以決定是否終止充電。

　　這些程序的簡(jiǎn)單實(shí)用的結構是定時(shí)循環(huán)。主程序檢查其本身或定時(shí)器中斷服務(wù)程序設置的定時(shí)器標志，調用執行所需多重任務(wù)的子程序。部分子程序每一個(gè)循環(huán)都執行，另一部分子程序每“n”個(gè)循環(huán)或觸發(fā)才執行一次?；镜挠|發(fā)時(shí)間可以是100 毫秒。例如周期為0.5S 的閃光程序每5 次觸發(fā)被調用一次以改變LED 的狀態(tài)。而溫度越限探測器在每次循環(huán)都檢查一次溫度。結果程序的結構就變得非常魯棒。

　　對于沒(méi)有定時(shí)器中斷的微處理器，定時(shí)循環(huán)可以用程序本身來(lái)實(shí)現。使用他們本身的執行時(shí)間來(lái)保持系統的定時(shí)。

（六）、硬件失效保護：

　　最后一個(gè)推薦是考慮采用帶有看門(mén)狗定時(shí)器和硬件失效保護功能的微處理器監控電路。監控電路的復位功能在系統上電時(shí)給系統提供一個(gè)干凈的系統復位信號?？撮T(mén)狗定時(shí)器可以發(fā)現失控的CPU 和錯誤的軟件死循環(huán)，MAXIM 也生產(chǎn)某些簡(jiǎn)單的溫度測控產(chǎn)品，象溫度開(kāi)關(guān)MAX6501就構成了一個(gè)特別好的備份系統。這些SOT-23 封裝的器件當芯片的溫度穿越固定的溫度門(mén)檻時(shí)會(huì )改變他們的輸出電平。

　　監控電路對充電器來(lái)說(shuō)特別重要。因為充電器的不斷上電掉電會(huì )讓CPU 失步。舉個(gè)例子，假如處理器失控而不能終止快速充電，那結果可能是災難性的。系統必須包含溫度傳感器或別的硬件使得快速充電在沒(méi)有軟件的參與下終止快速充電。