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?？紤]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(fèi)(BOM)不超出可接受的范圍,。

       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)

       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

       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,。
 

                                     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)”。

       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(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 來計算：公式1 其中：Vi：輸入至開關(guān)的充電器電壓,；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(diǎn)

  &

nbsp;    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．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,。
 

                                                圖2：由LPC916 控制的鋰電池充電器解決方案 

                                        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(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，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?？紤]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,。

                                                     圖3：鋰電池充電過程 
   
       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,。

                                                            圖4：測試電路

       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)。
 

圖5：輸出電壓測試結(jié)果

圖6：輸出電流測試結(jié)果