高效、低成本及可靠的電池充電器設(shè)計可用各種方法來實現(xiàn),，但采用8位閃速MCU不僅能縮短設(shè)計時間,、降低成本及提供安全可靠的產(chǎn)品,，而且還能使設(shè)計人員以最少的工作量來進(jìn)行現(xiàn)場升級。
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)計效率及重要性，基于MCU的解決方案可為設(shè)計者們提供諸多優(yōu)勢,。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)勢來設(shè)計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解決方案的飛利浦 80C51型MCU就是這樣一個例子,。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)場軟件升級(如果需要)的能力,。
由于設(shè)計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優(yōu)勢。
利用這種方法,，設(shè)計團(tuán)隊不僅能極大地縮短設(shè)計周期,，而且還能進(jìn)行更為復(fù)雜的設(shè)計，并使項目的整體材料費(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，離線鋰電池充電器設(shè)計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)啟動時的穩(wěn)定性,。
四通道A/D轉(zhuǎn)換器是設(shè)計工程師們應(yīng)該尋求集成到芯片中的另一種有價值的外圍電路。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)。
用來實現(xiàn)以下所介紹設(shè)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在兩個時鐘上執(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(計時器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)計為專門針對額定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，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還監(jiān)視充電電流,，以在電池充滿時能終止充電過程。
溫度監(jiān)視可用來確保執(zhí)行安全的充電步驟,，因為隨著電池充滿,，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
圖4：測試電路
若要設(shè)計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)換器使用電感來儲存電能,。圖1a及1b分別為開關(guān)處于通/斷位置時的降壓轉(zhuǎn)換器工作示意圖。
來自PWM的信號控制充電開關(guān),。當(dāng)開關(guān)閉合時(圖1a),，電流由于充電器提供的電壓(充電器Vin)而流過電路，此時電容通過電感充電,。
當(dāng)開關(guān)打開時(如1b所示)，電感試圖通過感應(yīng)電壓來保持電流流動,，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”時間時,，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”時間時,，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)計細(xì)節(jié)以前,，需先討論與電感及電容有關(guān)的兩個要點：
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：輸出電壓測試結(jié)果
Vsat：開關(guān)“通”時開關(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,，因為紋波與電容值成反比。
設(shè)計要點
本設(shè)計基于飛利浦P89LPC916型MCU,，其整體設(shè)計思想是,，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：輸出電流測試結(jié)果
VDD需采用精密電壓源,，因為此電壓被用作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(定時器0)的一個通道用來產(chǎn)生控制降壓轉(zhuǎn)換器開關(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(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”時間來調(diào)整PWM占空比。
系統(tǒng)設(shè)計
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,，因為將充電保持在其最大值以內(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(shè)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,。
鋰電池應(yīng)以三個獨立的階段來充電,。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,，即開始接恒定電壓充電階段。此時電壓被保持在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,，同時保持充電電流小于30mA,。充電時間可用一個計時器來控制，但監(jiān)視充電終結(jié)的方法有三種：檢測充電電流,、使用計時器以及監(jiān)視溫度(可選)。
充電過程如圖3所示,。從一個階段進(jìn)入到另一個階段的準(zhǔn)確標(biāo)志如下：
預(yù)充電階段(當(dāng)需要時)：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,，設(shè)置Iout=Ireg=350mA；計時器控制充電階段(恒定電壓充電)：當(dāng)Ibat<60mA時,，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小時內(nèi)完成,。
考慮到最終用戶,，設(shè)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(shè)計方案的測試
可用來在充電過程中測試該設(shè)計的電路框圖如圖4所示,。用兩塊萬用表來測量Vout及Vsense_res讀數(shù)。
Vout=Vbat+Vsense_res,，充電電流可用公式Iout=Vsense res/0.75來計算,。
當(dāng)充電開始時，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(jié)果有影響,。圖5及圖6顯示該設(shè)計滿足指標(biāo)