利用MCU 設(shè)計(jì)離線鋰電池充電器

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(lái)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(lái)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)

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(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(jiān)視充電電流，以在電池充滿時(shí)能終止充電過(guò)程。溫度監(jiān)視可用來(lái)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(guò)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)

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(lái)作為開(kāi)關(guān)調(diào)整器。降壓轉(zhuǎn)換器使用電感來(lái)儲(chǔ)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(zhuǎn)換器工作示意圖。

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

來(lái)自PWM 的信號(hào)控制充電開(kāi)關(guān)。當(dāng)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(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)(如1b 所示)，電感試圖通過(guò)感應(yīng)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(fù)。當(dāng)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(dāng)通過(guò)增加PWM 占空比來(lái)延長(zhǎng)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(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. 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(lái)計(jì)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. 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?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(guò)先用恒定電流充電、然后再用恒定電壓充電來(lái)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. 1．精密電源VDD 需采用精密電壓源，因?yàn)榇穗妷罕挥米?/FONT>DA-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(lái)為VDD 提供精密3.31 V 電源。
2. 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(zhuǎn)換器開(kāi)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^(guò)改變降壓轉(zhuǎn)換器的“開(kāi)”時(shí)間來(lái)調(diào)整PWM 占空比。