一種混合信號通用電池充電器設(shè)計

　　本文主要討論兩種最常見的化學(xué)電池：鋰離子電池和鎳氫電池。通過本文的討論，能夠設(shè)計出一種混合信號通用電池充電器，這種充電器可對這兩種電池進行充電。

　　電池充電的系統(tǒng)考慮

　　要快速可靠地完成電池充電，需要高性能的充電系統(tǒng)。以下系統(tǒng)參數(shù)是設(shè)計經(jīng)濟可靠的解決方案所必須考慮的。

　　輸入源

　　許多應(yīng)用都采用廉價的墻式適配器作為輸入電源，這種適配器的輸出電壓高度依賴于變化較大的交流輸入電壓以及適配器負載電流。通過汽車適配器充電也面臨同樣的問題。汽車適配器的輸出電壓范圍通常為9V"18V。

　　輸出電壓穩(wěn)壓精度

　　對于鋰離子電池，為使電池容量的利用率達到最大，輸出電壓穩(wěn)壓精度至關(guān)重要。輸出電壓精度的微小降低都會導(dǎo)致電池容量大幅度減少。當然，出于安全以及可靠性方面的考慮，輸出電壓并不能無限度提高。圖1示意了輸出電壓穩(wěn)壓精度的重要性。

　　充電結(jié)束方法

　　無論是鋰離子電池還是鎳氫電池，過充都是致命的弱點。對于安全可靠的充電系統(tǒng)來說，精確的充電結(jié)束方法是非常關(guān)鍵的。

　　電池溫度監(jiān)控

　　可充電電池的充電溫度范圍通常在0°C"45°C之間，溫度超出此范圍時，對電池進行充電會導(dǎo)致電池過熱。在充電過程中，電池內(nèi)部的壓力升高，因此，電池會膨脹，電池內(nèi)部的高溫和高壓會導(dǎo)致電池機械開裂甚至爆炸，或者出現(xiàn)泄露。在0°C"45°C溫度范圍之外對電池進行充電會損害電池性能，或者縮短其預(yù)期壽命。

　　電池放電電流或反向漏電流

　　在許多應(yīng)用中，即使輸入電源斷開，充電系統(tǒng)仍然與電池相連，因此，充電系統(tǒng)必須保證此時電池的漏電流盡可能小。允許的最大漏電流應(yīng)當小于幾個mA，比較理想的情況是低于1mA。

　　圖1 電池容量損失與充電電壓不足的關(guān)系

　　電池充電器設(shè)計

　　考慮到前面的系統(tǒng)因素，可以開發(fā)出合適的充電管理系統(tǒng)。

　　線性解決方案

　　當輸入源穩(wěn)壓良好時，可以采用線性充電解決方案。Microchip的MCP738xx 線性電池充電器系列就是一個線性充電解決方案的例子。在這些應(yīng)用中，線性解決方案提供了諸多優(yōu)點，如易于使用、尺寸小以及低成本。

　　開關(guān)式充電解決方案

　　對于輸入電壓范圍較寬的情況，如無穩(wěn)壓的AC-DC墻式適配器或汽車DC輸入，開關(guān)式穩(wěn)壓器可以將電池充電器內(nèi)部的功率損耗降到合理的水平。

　　選擇拓撲結(jié)構(gòu)

　　開關(guān)式穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)決定了穩(wěn)壓器開關(guān)和無源濾波元件的構(gòu)成。這種構(gòu)成的差異隨拓撲結(jié)構(gòu)的選擇而變化，從而要在復(fù)雜性、效率、噪聲以及輸出電壓范圍之間權(quán)衡。電源轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)很多，但只有幾種適用于5W"50W范圍的電池充電器。

　　降壓穩(wěn)壓器

　　降壓穩(wěn)壓器是電池充電應(yīng)用的一種常用拓撲結(jié)構(gòu)。降壓穩(wěn)壓器具有以下優(yōu)點和缺點：

　　優(yōu)點：1. 復(fù)雜性低、單電感結(jié)構(gòu)。2. 對于同步應(yīng)用，轉(zhuǎn)換效率可達90%。

　　缺點：1. 降壓穩(wěn)壓器MOSFET開關(guān)集成的二極管在沒有輸入電壓時會構(gòu)成一個電池放電通路。因此需要一個額外的阻斷二極管，增加額外器件的同時也導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)額外的壓降。2. 降壓穩(wěn)壓器的輸入電流是脈沖式或間歇的。這種拓撲結(jié)構(gòu)在電源的輸入端產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)。大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器都需要額外的輸入EMI濾波。3. 降壓穩(wěn)壓器只能對比輸入電壓低的輸出電壓進行穩(wěn)壓。有些應(yīng)用的輸入電壓范圍寬，覆蓋到必需的輸出電壓范圍。對于對多節(jié)鋰離子電池單元組成的電池組進行充電的應(yīng)用來說，這種情況很常見。4. 發(fā)生降壓開關(guān)短路故障時，輸入至電池之間短路。對于不具備電池內(nèi)部保護的鎳氫電池，就會引發(fā)安全問題。5. 降壓穩(wěn)壓器需要高端驅(qū)動(對N通道MOSFET開關(guān))，與低端拓撲結(jié)構(gòu)相比，這會帶來更大的復(fù)雜性。6. 脈寬調(diào)制(PWM)控制器應(yīng)用中的外部開關(guān)電流檢測比較復(fù)雜。對于電池短路或負載短路等故障模式來說，限制開關(guān)電流非常重要，沒有高速開關(guān)電流限制能力，電池充電器在發(fā)生短路時會被損壞。

　　SEPIC(單端初級電感)穩(wěn)壓器

　　SEPIC穩(wěn)壓器的拓撲結(jié)構(gòu)在電池充電應(yīng)用中也比較普遍。與降壓穩(wěn)壓器和其它拓撲結(jié)構(gòu)相比，SEPIC穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點，當然也有一些缺點。

　　優(yōu)點：1. 阻斷二極管內(nèi)建于電池系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)中，因此，不需要額外的元件，也不會導(dǎo)致額外的損失。2. 與降壓穩(wěn)壓器的脈沖式輸入電流相比，從電源汲取的輸入電流是連續(xù)的(平滑的)。3. 輸入至輸出是隔離的，因此在開關(guān)短路時可以保護負載或電池。4. SEPIC穩(wěn)壓器的拓撲結(jié)構(gòu)具有升壓或降壓能力。5. SEPIC開關(guān)是低端驅(qū)動結(jié)構(gòu)，簡化了柵極驅(qū)動以及開關(guān)中的電流檢測。6. 次級側(cè)電感平均電流等于電池電流，因此檢測電流不需要在電池低端串聯(lián)電阻。

　　缺點：1. 需要兩個電感或一個耦合電感。 2. 需要一個耦合電容，對于大功率(> 50W)，或高電壓(VIN > 100V)應(yīng)用，成本較高。

　　開關(guān)式電池充電器設(shè)計

　　通過將設(shè)計劃分為兩部分，可以開發(fā)出經(jīng)濟的智能電池充電器系統(tǒng)。電池充電器實質(zhì)上是混合信號系統(tǒng)。例如，電源部分(本例中即SEPIC穩(wěn)壓器)是模擬的。電源以高頻開/關(guān)，需要某種模擬驅(qū)動電路。另一方面，充電結(jié)束定時器、故障管理以及開/關(guān)控制一般是數(shù)字化控制的，需要定時器和可編程能力。

　　電池充電器技術(shù)參數(shù)

　　輸入電壓：6V"20V

　　輸出電壓：0V"4.2V(單節(jié)電池)， 0V"8.4V(兩節(jié)電池)

　　預(yù)充電流：200 mA

　　預(yù)充閾值：3V

　　恒流充電：2A充電

　　結(jié)束閾值：100 mA(觸發(fā)充電周期結(jié)束的電流值)

　　特性：過壓保護(電池移除)

　　過流保護(電池或負載短路)

　　檢測電池溫度：保證充電安全

　　策略和方法

　　對混合信號的設(shè)計采用分兩部分的方式，首先選擇單片機，用于讀取電池組狀態(tài)(電壓和溫度)，并對SEPIC穩(wěn)壓器輸出電流編程，本文選擇使用PIC12F6838引腳閃存單片機。然后，再選擇內(nèi)置MOSFET驅(qū)動器的高速模擬PWM控制器(如MCP1630)，組成“模擬”可編程電流源。

　　設(shè)計SEPIC可編程電流源

　　與所有開關(guān)式穩(wěn)壓器設(shè)計一樣，輸出是通過改變占空比，或開關(guān)導(dǎo)通時間的比例(Q1，見圖2)來控制的。為穩(wěn)定流入電池的電流，必須檢測充電電流。如圖2所示，電流檢測元件并沒有與電池串聯(lián)。SEPIC穩(wěn)壓器次級繞組Ls承載平均輸出電流。初級繞組Lp承載平均輸入電流。次級電阻Rs用來檢測電池充電電流。高速模擬PWM參考輸入則決定電池充電電流。

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　　圖 2 混合信號電池充電器框圖

　　混合信號設(shè)計

　　利用MCP1630作為模擬PWM和驅(qū)動器，可以獲得一個可編程的SEPIC電流源。PWM和驅(qū)動器提供模擬穩(wěn)流功能、MOSFET柵極驅(qū)動以及高速過流保護。PIC12F683單片機設(shè)定SEPIC電源開關(guān)頻率(500 kHz)并編程設(shè)定SEPIC恒定輸出電流。PWM和驅(qū)動器利用單片機中的硬件PWM來設(shè)定SEPIC開關(guān)頻率和最大占空比。硬件PWM頻率等于SEPIC電源開關(guān)頻率，同時，硬件PWM占空比確定了最大SEPIC電源占空比。單片機的硬件PWM輸出500 kHz，25%占空比的脈沖將SEPIC開關(guān)頻率設(shè)定為500 kHz，最大占空比75%。標準單片機I/O引腳利用簡單的RC濾波器生成軟件可編程的參考電壓。這一可編程的參考電壓用來設(shè)定SEPIC轉(zhuǎn)換器輸出精確恒定的充電電流。 在同相輸入(Vref)端，可編程參考電壓確定了電池充電電流值。調(diào)整MCP1630 PWM輸出占空比(Vext)，直到Vref輸入電壓與誤差放大器FB輸入端電壓相等。通過調(diào)節(jié)Vref 輸入引腳的電壓就可相應(yīng)調(diào)整電池電流。 PWM和驅(qū)動器能夠以大于 500 kHz的頻率驅(qū)動MOSFET，同時利用一個內(nèi)部高速(典型值為12ns)比較器來監(jiān)測SEPIC開關(guān)電流。如果開關(guān)電流太大，PWM占空比就會為0，從而限制電池電流。

　　最后，充電電流還將根據(jù)來自ADC的電池電壓和溫度等信息進行調(diào)節(jié)。要進入恒壓充電階段，單片機的ADC讀取電池電壓并更新可編程電流源(SEPIC)，以保持電池電壓為4.2V。這一過程的電池電壓變化速率遠快于恒流充電時的速率。對于鋰離子電池，當維持電池電壓為4.2V所需要的電流降低到一定值(100mA)時，充電周期結(jié)束。這是利用固件設(shè)定的，并且可以方便地修改以滿足不同電池生產(chǎn)商的推薦值。在典型的模擬充電器中，充電結(jié)束電流是充電周期電流的一定比例，因此不容易改變。對鎳氫電池，快速充電階段結(jié)束時，需要滿足下面一個條件或同時滿足兩個條件：電池電壓保持恒定或隨著時間下降，或者電池組溫度高于預(yù)定值。快速充電結(jié)束后，就開始進行定時涓流浮充。ADC輸入和電池組熱電偶相配合可以檢測電池溫度。通過讀出“TEMP_SENSE”輸入端的電壓，可以確定電池溫度。當檢測到電池電壓太高時，PIC12F683 中斷代碼可以提供過壓保護(OV)。SEPIC轉(zhuǎn)換器在不到1ms的時間內(nèi)關(guān)斷，在電池端接端造成的電壓過沖最小。SEPIC轉(zhuǎn)換器二極管阻止電池向充電器放電。從電池流出的靜態(tài)電流只有電池電壓檢測一個通道，此時的電流大小通常不到5 mA。

　　可選的特性

　　此外，結(jié)合一個單片機和多個高速模擬PWM模塊還可以增加更多功能，例如針對多組電池充電應(yīng)用的充電器組，異相開關(guān)技術(shù)以及輸入電源預(yù)算功能。

　　結(jié)語

　　在開發(fā)電池充電器時采用混合信號方式，可以充分發(fā)揮模擬和數(shù)字兩方面的優(yōu)點?；诨旌闲盘柕脑O(shè)計支持高頻工作(500kHz)、高速保護(12ns,從電流檢測到輸出)，并可將濾波器件的尺寸縮到最小。此外，系統(tǒng)的可編程數(shù)字功能還可以準確判斷充電的不同階段并設(shè)定充電電流。 由于可以容易地進行電流設(shè)置和編程，因此，通過固件就可以支持新的電池充電方法，這種設(shè)計并不僅僅適用于鋰離子和鎳氫電池，同時還可通過編程支持未來的可充電技術(shù)。