基于MCU設(shè)計(jì)的離線鋰電池充電器

高效、低成本及可靠的電池充電器設(shè)計(jì)可用各種方法來實(shí)現(xiàn)，但采用8位閃速MCU不僅能縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、降低成本及提供安全可靠的產(chǎn)品，而且還能使設(shè)計(jì)人員以最少的工作量來進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。

圖1：(a)：降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)“開”；(b)：降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)“關(guān)”

       考慮到電池安全充電的成本、設(shè)計(jì)效率及重要性，基于MCU的解決方案可為設(shè)計(jì)者們提供諸多優(yōu)勢(shì)。通過選擇帶適當(dāng)外圍與閃存的8位MCU，工程師們能充分利用其優(yōu)勢(shì)來設(shè)計(jì)一種離線鋰電池充電器。帶2KB閃存及適當(dāng)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(diào)試應(yīng)用代碼并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)軟件升級(jí)(如果需要)的能力。

       由于設(shè)計(jì)界不僅熟悉而且廣泛接受8位MCU，故軟硬件開發(fā)可快速進(jìn)行。由眾多廠商提供的各種功能強(qiáng)大且并不昂貴的應(yīng)用開發(fā)工具，也是這種方法的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

       利用這種方法，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不僅能極大地縮短設(shè)計(jì)周期，而且還能進(jìn)行更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)，并使項(xiàng)目的整體材料費(fèi)(BOM)不超出可接受的范圍。

圖2：由LPC916控制的鋰電池充電器解決方案　

外圍電路集成

       譬如，當(dāng)MCU集成有內(nèi)部振蕩器時(shí)，離線鋰電池充電器設(shè)計(jì)可從以下兩方面獲益。首先，可省掉外部振蕩器，從而節(jié)省成本及PCB占位；其次，內(nèi)部振蕩器可提高系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。

       四通道A/D轉(zhuǎn)換器是設(shè)計(jì)工程師們應(yīng)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(zhuǎn)換器更節(jié)約成本外，還能用它來檢測(cè)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(shù)。

       用來實(shí)現(xiàn)以下所介紹設(shè)計(jì)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(zhí)行指令的高性能處理器架構(gòu)，從而將其性能提高至標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍。Time0(計(jì)時(shí)器0)很容易被配置成PWM輸出，故易于設(shè)置及使用PWM功能。

基本電池充電標(biāo)準(zhǔn)
  

圖3：鋰電池充電過程　

    本設(shè)計(jì)為專門針對(duì)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(yù)充電階段、恒定電流充電階段及恒定電壓充電階段。

     當(dāng)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(yù)充電階段。在此情況下，必須采用低電流充電以保護(hù)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(yù)充電階段。當(dāng)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(duì)于快速充電，例如額定700mAh的電池，可用350-400mA電流來充電。

       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(jiān)視充電電流，以在電池充滿時(shí)能終止充電過程。

       溫度監(jiān)視可用來確保執(zhí)行安全的充電步驟，因?yàn)殡S著電池充滿，任何額外的電能都將被轉(zhuǎn)換成熱量。盡管MCU必須為其完成的功能增加溫度監(jiān)視，但當(dāng)今市場(chǎng)上的大多數(shù)鋰電池都帶有內(nèi)置過充電保護(hù)，故溫度監(jiān)視盡管需要但卻很少使用。

降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

圖4：測(cè)試電路

       若要設(shè)計(jì)一種帶錐形端接特性的充電器，最有效及最經(jīng)濟(jì)的方法是采用降壓轉(zhuǎn)換器來作為開關(guān)調(diào)整器。降壓轉(zhuǎn)換器使用電感來儲(chǔ)存電能。圖1a及1b分別為開關(guān)處于通/斷位置時(shí)的降壓轉(zhuǎn)換器工作示意圖。

       來自PWM的信號(hào)控制充電開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)(圖1a)，電流由于充電器提供的電壓(充電器Vin)而流過電路，此時(shí)電容通過電感充電。

       當(dāng)開關(guān)打開時(shí)(如1b所示)，電感試圖通過感應(yīng)電壓來保持電流流動(dòng)，但它不能立刻充電。然后電流流過肖特基二極管并給電容充電。此過程循環(huán)往復(fù)。

       當(dāng)通過減少PWM占空比來縮短開關(guān)“通”時(shí)間時(shí)，平均電壓減少。相反，當(dāng)通過增加PWM占空比來延長開關(guān)“斷”時(shí)間時(shí)，平均電壓增加。故通過控制PWM占空比來使MCU調(diào)整充電電壓(或電流)可達(dá)到所需的輸出值。

在討論設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)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(zhuǎn)換器電感的大小是達(dá)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來計(jì)算：

      公式1

       其中：Vi：輸入至開關(guān)的充電器電壓；
    

圖5：輸出電壓測(cè)試結(jié)果 　

       Vsat：開關(guān)“通”時(shí)開關(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的開關(guān)頻率越高(亦即開關(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減少紋波電流，故越大越好，因?yàn)榧y波與電容值成反比。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

       本設(shè)計(jì)基于飛利浦P89LPC916型MCU，其整體設(shè)計(jì)思想是，通過先用恒定電流充電、然后再用恒定電壓充電來實(shí)現(xiàn)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
　

圖6：輸出電流測(cè)試結(jié)果

       VDD需采用精密電壓源，因?yàn)榇穗妷罕挥米鱀A-DA轉(zhuǎn)換器的電壓參考。低壓降(LDO)調(diào)整器為該電壓源的最佳選擇，且本設(shè)計(jì)采用3端LDO LM1117來為VDD提供精密3.31 V電源。

       2．PWM輸出解決方案

       Timer0(定時(shí)器0)的一個(gè)通道用來產(chǎn)生控制降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)的PWM信號(hào)。由于LPC916帶有其自己的片上RC振蕩器，故充電更加穩(wěn)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(nèi)?？赏ㄟ^改變降壓轉(zhuǎn)換器的“開”時(shí)間來調(diào)整PWM占空比。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       圖2為鋰電池充電器系統(tǒng)組成框圖。其中PWM輸出控制充電開關(guān)，且其占空比可根據(jù)需要用充電電壓及電流的反饋來調(diào)整。LPC916的8位片上高速A/D轉(zhuǎn)換器提供了監(jiān)視充電電壓所需的高精度。避免鋰離子應(yīng)用中的過充電非常重要，因?yàn)閷⒊潆姳３衷谄渥畲笾狄詢?nèi)可延長電池的使用壽命。表1為該電路的輸入/輸出參數(shù)規(guī)格。
　

表1：圖2電路的輸入、輸出參數(shù)規(guī)格

       下一步是計(jì)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。電感值可通過假設(shè)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%來計(jì)算)。采用以上這些值，用公式1可計(jì)算出電感值不小于10μH。在本設(shè)計(jì)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。

       鋰電池應(yīng)以三個(gè)獨(dú)立的階段來充電。如果電池電壓低于3V，則需要有預(yù)充電階段且充電電流應(yīng)保持為65mA。一旦電池電壓達(dá)到3V+-1%，即開始進(jìn)入快速充電階段，并采用350mA的恒定充電電流。通過調(diào)整控制脈沖可使充電電流保持恒定。當(dāng)電池電壓達(dá)到4V+-1%時(shí)，即開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(jiān)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(jì)時(shí)器來控制，但監(jiān)視充電終結(jié)的方法有三種：檢測(cè)充電電流、使用計(jì)時(shí)器以及監(jiān)視溫度(可選)。

       充電過程如圖3所示。從一個(gè)階段進(jìn)入到另一個(gè)階段的準(zhǔn)確標(biāo)志如下：

       預(yù)充電階段(當(dāng)需要時(shí))：如果Vbat<3.0(1%，則設(shè)置Iout=10%；Ireg=65mA；快速充電階段(恒定電流充電)：當(dāng)Vbat<=4.00+-1%V時(shí)，設(shè)置Iout=Ireg=350mA；計(jì)時(shí)器控制充電階段(恒定電壓充電)：當(dāng)Ibat<60mA時(shí)，設(shè)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(nèi)完成。

       考慮到最終用戶，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案的測(cè)試

       可用來在充電過程中測(cè)試該設(shè)計(jì)的電路框圖如圖4所示。用兩塊萬用表來測(cè)量Vout及Vsense_res讀數(shù)。

       Vout=Vbat+Vsense_res，充電電流可用公式Iout=Vsense res/0.75來計(jì)算。

       當(dāng)充電開始時(shí)，每15秒記錄一次數(shù)據(jù)，但當(dāng)電流及電壓穩(wěn)定后，記錄周期可縮短為每5秒記錄一次。

       結(jié)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(duì)結(jié)果有影響。圖5及圖6顯示該設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)