利用GM6801實(shí)現(xiàn)智能快速充電器設(shè)計(jì)
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目前，應(yīng)用比較廣泛的快速充電管理芯片基本上有兩種類型。一種是單片機(jī)，另一種是快速充電管理專用集成電路。成都國騰微電子有限公司成功開發(fā)出一款鎳氫/鎳鎘電池快速充電智能管理芯片——GM6801。該芯片的外部管腳控制功能可編程，無需外部控制器支持，使充電過程檢測控制完全自動化，所需外圍器件少，應(yīng)用設(shè)計(jì)簡單。
GM6801應(yīng)用方案的優(yōu)勢
GM6801是快速充電管理專用集成電路。與單片機(jī)相比，由專用集成電路實(shí)現(xiàn)快速充電管理的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：
1. 專用集成電路在硬件中集成了對快速充電管理的全部算法，無需開發(fā)控制軟件，從而有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，簡化設(shè)計(jì)流程，所需外圍器件少，使應(yīng)用設(shè)計(jì)變得簡單；
2. 采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)中高端快速充電器時(shí)，對單片機(jī)有較高要求，比如需要較多的I/O口，需要自帶AD等，還要開發(fā)相關(guān)軟件，這樣采用單片機(jī)所需成本往往較高；
3. 專用集成電路可以實(shí)現(xiàn)對快速充電過程的精確控制，比如GM6801就采用了帶瞬間放電過程的脈沖充電形式。這樣可以在快速充電過程中及時(shí)消除大電流造成的電極化效應(yīng)，使電池充電效果更佳；
4. 由于快速充電器涉及安全問題，專用集成電路良好的一致性和穩(wěn)定性相對普通單片機(jī)來說更具優(yōu)勢。
此外，GM6801本身采用一些個(gè)性化的設(shè)計(jì)：GM6801內(nèi)置10位AD轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)時(shí)采集每節(jié)電池的電壓和溫度信息，自帶的“Condition fit”功能能夠避免環(huán)境變化帶來的干擾，保證對快速充電/放電過程的檢測判斷準(zhǔn)確可靠。GM6801對每節(jié)電池充電/放電過程的檢測判斷方法有電壓負(fù)增長(-ΔV)、最大電壓、最大充電時(shí)間、最高溫度四種方式，通過多參數(shù)評估來進(jìn)行綜合判斷，以確保電池被最大化充滿，同時(shí)避免過充，從而延長電池使用壽命。
GM6801自動判斷電池有效性、自動識別電池種類，具備超溫保護(hù)和最大充電時(shí)間保護(hù)，保證了充電過程的安全性。更完善的功能包括：可直接驅(qū)動4個(gè)雙色LED顯示各個(gè)電池的狀態(tài)；可對充電/放電狀態(tài)進(jìn)行聲音提示；在高溫情況下可以自動啟動風(fēng)扇；具備充電/放電狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出功能，可直觀顯示各個(gè)電池的電量。
GM6801解決方案設(shè)計(jì)
GM6801應(yīng)用方案如圖1所示，設(shè)計(jì)的第一步需要確定智能快速充電器的電源電流。根據(jù)充電電池的容量以及想要達(dá)到的充電速度，可以計(jì)算出快速充電器的電源電流值。
圖1：GM6801應(yīng)用方案示意圖
例如，設(shè)計(jì)一個(gè)針對2,000mAh充電電池的充電器，若需要把充滿兩節(jié)電池的最大時(shí)間控制在90分鐘以內(nèi)，那么根據(jù)GM6801數(shù)據(jù)手冊中的相關(guān)參數(shù)可以確定充電時(shí)間為1C，由此確定平均充電電流IC=2,000mA。放電電流Idischg由放電回路的電阻值確定，假定放電電流IDISCHG≈1,000mA，再根據(jù)GM6801數(shù)據(jù)手冊中的計(jì)算公式可以推算出充電器電源的實(shí)際電流值為：
ICHG＝(IC+IDISCHG/32)×(64/31)＝(2,000mA+1,000mA/32)×(64/31)≈4,200mA。
即設(shè)計(jì)充電器時(shí)，充電器電源電流值應(yīng)該設(shè)計(jì)成等于或略大于4,200mA。另外需要強(qiáng)調(diào)的是，選擇熱敏電阻非常重要。
熱敏電阻是GM6801應(yīng)用系統(tǒng)中采集溫度的關(guān)鍵元件。在GM6801應(yīng)用電路中，熱敏電阻必須直接或通過導(dǎo)熱材料與被測電池緊密接觸。熱敏電阻的B值=3,300K，熱敏電阻的電阻值根據(jù)應(yīng)用電路確定，按照GM6801數(shù)據(jù)手冊中提供的應(yīng)用電路(如圖2所示)，熱敏電阻(RT)與一個(gè)電阻(R)串聯(lián)，電阻另一端連接+5V電源(Vi)，熱敏電阻另一端接地，熱敏電阻與電阻的連接點(diǎn)引出反應(yīng)溫度變化的電壓采樣信息(Vt)。
圖2：GM6801應(yīng)用方案中熱敏電阻應(yīng)用電路示意圖
要求在不同的溫度點(diǎn)采集到的電壓Vt值與GM6801數(shù)據(jù)手冊中提供的數(shù)據(jù)基本一致，這樣才能保證由該熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)采集到的電池溫度信息與設(shè)計(jì)中的溫度刻度一致。推薦RT和R的標(biāo)稱值都采用27kΩ(25℃時(shí))。
接下來，需要完成一些控制引腳和輸入輸出引腳的設(shè)定。
圖3：GM6801控制部分應(yīng)用電路圖
如圖3所示，在GM6801的應(yīng)用電路中，鎳氫/鎳鎘電池選擇引腳(NH/ND)與一個(gè)外部開關(guān)連接，通過開關(guān)選擇該引腳接高電平或低電平來決定充電電池類型，低電平為鎳氫，高電平為鎳鎘，當(dāng)該引腳狀態(tài)改變時(shí)，同時(shí)具有復(fù)位功能；充電/放電選擇引腳(CHG/DISCHG)與一個(gè)外部開關(guān)連接，通過開關(guān)選擇該引腳接高電平或低電平來決定充電或放電，低電平為充電，高電平為放電；充電時(shí)間選擇引腳(CHGTIME0/CHGTIME1)分別與外部電路連接，通過設(shè)定該引腳接高電平或低電平，由CHGTIME0/CHGTIME1兩個(gè)引腳的狀態(tài)決定充電時(shí)間(即C值)。
GM6801系列QFP44封裝的芯片采用四路充電/放電回路獨(dú)立控制，可對最多4節(jié)不同型號、容量接近的鎳氫/鎳鎘電池任意組合進(jìn)行并聯(lián)充電/放電管理。如圖4所示，在應(yīng)用于四路并聯(lián)充電/放電控制方式時(shí)，GM6801的VCC和Vref通常接+5V，其中Vref要求加10uF旁路電容增加穩(wěn)定性。工作時(shí)鐘選用32.768kHz的無源晶振。
圖4：GM6801應(yīng)用于四路并聯(lián)充電/放電管理方案輸入輸出部分電路圖
GM6801分別提供充電控制輸出、放電控制輸出、電池電壓采集輸入、風(fēng)扇驅(qū)動輸出、蜂鳴器輸出、雙色LED控制輸出以及串行數(shù)據(jù)輸出，這些功能管腳的定義和功能分別為：充電控制輸出(CHGCTRL1~4)高電平有效，控制對應(yīng)充電回路開關(guān)的打開或關(guān)閉；放電控制輸出(DISCHG1~4)低電平有效，控制對應(yīng)放電回路開關(guān)的打開或關(guān)閉；電池電壓采集輸入口(CELVOLT1~4)分別與四路充電回路中的一個(gè)電池正極相連，用于采集每節(jié)電池的電壓值；電池溫度采集輸入口(CELTMP1~4)分別與四個(gè)溫度傳感器中的一個(gè)相連，采集相應(yīng)的電池溫度信息；風(fēng)扇驅(qū)動輸出(FANDRV)高電平有效，與風(fēng)扇的正輸入腳相連，在一定條件下可直接驅(qū)動風(fēng)扇；蜂鳴器輸出(BUZZER)高電平有效，與蜂鳴器的正輸入腳相連，在一定條件下可直接驅(qū)動蜂鳴器；顯示電池充電/放電狀態(tài)的雙色LED控制輸出(LED1A/LED1B~LED4A/LED4B)低電平有效，其中LED1A~4A分別與四個(gè)雙色LED紅色極的陰極相連，LED1B~4B分別與四個(gè)雙色LED綠色極的陰極相連，這四個(gè)雙色LED采用共陽極的方式；串行數(shù)據(jù)輸出引腳(SERIES_OUT)以串行數(shù)據(jù)方式實(shí)時(shí)送出電池的電量信息，用于直觀顯示電池電量。
GM6801系列QFP44封裝的芯片也可以對串聯(lián)電池組進(jìn)行充電/放電管理。在針對串聯(lián)電池組進(jìn)行充電/放電控制時(shí)，只需要GM6801其中的一路充電/放電控制回路即可實(shí)現(xiàn)。
例如：設(shè)定對一個(gè)四節(jié)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電/放電，采用GM6801的第一個(gè)控制回路進(jìn)行充電/放電管理。
圖5：GM6801應(yīng)用于串聯(lián)電池組充電/放電管理方案輸入輸出部分電路圖
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