高效、低成本及可靠的電池充電器設計可用各種方法來實現，但采用8位閃速MCU不僅能縮短設計時間、降低成本及提供安全可靠的產品，而且還能使設計人員以最少的工作量來進行現場升級。
     考慮到電池安全充電的成本、設計效率及重要性，基于MCU的解決方案可為設計者們提供諸多優勢。通過選擇帶適當外圍與閃存的8位MCU，工程師們能充分利用其優勢來設計一種離線鋰電池充電器。帶2KB閃(shan)存及(ji)適當外圍(wei)以提(ti)供一(yi)種廉價解(jie)決方案的飛(fei)利浦(pu) 80C51型MCU就是這樣一(yi)個例子。集成化閃(shan)存還(huan)能提(ti)供高效及(ji)方便地(di)調(diao)試應用代碼并進(jin)行現場軟件升(sheng)級(如(ru)果需要(yao))的能力。

       由于(yu)設計界(jie)不僅熟(shu)悉(xi)而且廣泛接受8位MCU，故軟硬件(jian)開(kai)發可快(kuai)速(su)進行。由眾多廠商提供的各種(zhong)功能強大且并不昂(ang)貴(gui)的應用開(kai)發工具，也是(shi)這種(zhong)方(fang)法的另(ling)一項優勢。

       利用這種方(fang)法，設(she)計團隊(dui)不僅能(neng)極大地縮短設(she)計周期，而且還能(neng)進(jin)行更為復雜(za)的設(she)計，并使(shi)項目的整體材料(liao)費(BOM)不超出(chu)可接受的范圍。

外圍電路集成
       譬如(ru)，當MCU集成有內部振蕩器時，離(li)線(xian)鋰電(dian)池充(chong)電(dian)器設計可從以下兩方(fang)面獲益(yi)。首先，可省掉(diao)外部振蕩器，從而節省成本及PCB占位(wei)；其次，內部振蕩器可提高系統啟動(dong)時的穩(wen)定性。

       四通道A/D轉(zhuan)換(huan)器(qi)是設計工(gong)程師們(men)應該(gai)尋求集成(cheng)到芯(xin)片中(zhong)的另一種有價值的外圍電(dian)路。除能(neng)比使用(yong)(yong)外部(bu)A/D轉(zhuan)換(huan)器(qi)更節約成(cheng)本外，還能(neng)用(yong)(yong)它來(lai)檢測充電(dian)電(dian)壓、電(dian)流(liu)及電(dian)池溫度--幾乎(hu)包括安全電(dian)池充電(dian)操(cao)作(zuo)中(zhong)的所有重(zhong)要參數。

       用(yong)來(lai)實現以(yi)下(xia)所介紹(shao)設計的(de)MCU(P89LPC916)不僅集成了上述所有(you)這些(xie)特性而且還擁有(you)可同時(shi)在兩(liang)個時(shi)鐘上執行指(zhi)令的(de)高(gao)性能(neng)處理器架構(gou)，從而將其性能(neng)提(ti)高(gao)至(zhi)標準80C51器件的(de)6倍(bei)。Time0(計時(shi)器0)很容易被配置(zhi)成PWM輸(shu)出，故易于設置(zhi)及使用(yong)PWM功能(neng)。

基本電池充電標準
  

    本設計為專門針對額定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(chong)電(dian)順(shun)序分成以下三個階(jie)段(duan)：預充(chong)電(dian)階(jie)段(duan)、恒定電(dian)流充(chong)電(dian)階(jie)段(duan)及恒定電(dian)壓(ya)充(chong)電(dian)階(jie)段(duan)。

     當電(dian)(dian)(dian)(dian)池只剩下很(hen)少的電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)且因此而只能產生(sheng)很(hen)低的輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)時，就(jiu)必(bi)須有預充電(dian)(dian)(dian)(dian)階段。在此情況下，必(bi)須采用低電(dian)(dian)(dian)(dian)流充電(dian)(dian)(dian)(dian)以保護電(dian)(dian)(dian)(dian)池。但如果被充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)池可產生(sheng)較高電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(>3V)，則可省略掉(diao)預充電(dian)(dian)(dian)(dian)階段。當然，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(chi)。電池(chi)的(de)最(zui)大允許充(chong)(chong)電電流由該電池(chi)的(de)額定(ding)容量決定(ding)。對于快速充(chong)(chong)電，例(li)如額定(ding)700mAh的(de)電池(chi)，可用350-400mA電流來充(chong)(chong)電。

       在(zai)鋰電(dian)池(chi)情況下，MCU必須(xu)在(zai)保持電(dian)池(chi)正(zheng)常充電(dian)電(dian)壓的(de)同時還監視充電(dian)電(dian)流，以在(zai)電(dian)池(chi)充滿時能終止充電(dian)過程。

       溫度(du)監(jian)(jian)視可用來確(que)保執行安全的(de)充(chong)電步(bu)驟，因為(wei)隨(sui)著電池(chi)(chi)充(chong)滿，任(ren)何額外的(de)電能(neng)都將被轉換成(cheng)熱量。盡管(guan)MCU必須為(wei)其(qi)完成(cheng)的(de)功(gong)能(neng)增加溫度(du)監(jian)(jian)視，但當今市場(chang)上的(de)大多數鋰電池(chi)(chi)都帶有內置過充(chong)電保護(hu)，故溫度(du)監(jian)(jian)視盡管(guan)需(xu)要(yao)但卻很少使用。

降壓轉換器設計

       若要設計一種帶錐形端接特性的充電器，最有效及最經濟的方法是采用降壓轉換器來作為開關調整器。降壓轉換器使用電感來儲存電能。圖1a及1b分別為開關處于通/斷位置時的降壓轉換器工作示意圖。
       來(lai)自(zi)PWM的信號控制(zhi)充(chong)電(dian)開關。當開關閉合時(圖1a)，電(dian)流由于(yu)充(chong)電(dian)器(qi)提供的電(dian)壓(充(chong)電(dian)器(qi)Vin)而流過電(dian)路，此時電(dian)容通過電(dian)感充(chong)電(dian)。

       當開(kai)關(guan)打開(kai)時(如1b所(suo)示(shi))，電(dian)感試圖通過感應電(dian)壓來(lai)保(bao)持(chi)電(dian)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)動，但它不能(neng)立刻充(chong)(chong)電(dian)。然(ran)后(hou)電(dian)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)過肖特基二極管并(bing)給電(dian)容充(chong)(chong)電(dian)。此過程循(xun)環往(wang)復。

       當(dang)通(tong)過(guo)減少PWM占(zhan)空比(bi)來(lai)縮短(duan)開關“通(tong)”時間時，平均(jun)電壓減少。相反，當(dang)通(tong)過(guo)增加(jia)(jia)PWM占(zhan)空比(bi)來(lai)延長開關“斷”時間時，平均(jun)電壓增加(jia)(jia)。故(gu)通(tong)過(guo)控制PWM占(zhan)空比(bi)來(lai)使(shi)MCU調整充電電壓(或電流)可(ke)達到(dao)所需的輸出(chu)值(zhi)。

在討論(lun)設計細節以前(qian)，需先(xian)討論(lun)與(yu)電感及(ji)電容有關的兩個(ge)要點：

     1．電感(gan)大(da)小

       不難看出，確定降壓轉換器電感(gan)的大小是達到合適充(chong)電電壓及電流的關鍵。電感(gan)大小也與成本有(you)關。電感(gan)容量可用公式1來計算：

      公式1

       其中：Vi：輸入至開關的充電器電壓；
    

       Vsat：開關“通”時開關的電壓損失；
       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(xian)示PWM的(de)開關頻率越(yue)高(亦(yi)即開關周期(qi)T越(yue)小(xiao))，則所(suo)需(xu)的(de)電感越(yue)小(xiao)，這有助于減少器(qi)件(jian)成(cheng)本。

       2．電容大小

       還需注意的是(shi)，此(ci)電(dian)(dian)(dian)路(lu)中的電(dian)(dian)(dian)容(rong)完全是(shi)用(yong)來(lai)減少紋波(bo)電(dian)(dian)(dian)流，故越(yue)大越(yue)好，因為紋波(bo)與電(dian)(dian)(dian)容(rong)值成(cheng)反比(bi)。

設計要點

       本(ben)設計基(ji)于飛利浦P89LPC916型MCU，其整體設計思想是，通過先用恒(heng)定(ding)電(dian)流充電(dian)、然(ran)后(hou)再用恒(heng)定(ding)電(dian)壓充電(dian)來實現盡可能快的充電(dian)。MCU還控制用于指示充電(dian)器工作狀態的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轉換器的電壓參考。低壓降(LDO)調整器為該電壓源的最佳選擇，且本設計采用3端LDO LM1117來為VDD提供精密3.31 V電源。
       2．PWM輸出(chu)解決方案

       Timer0(定時器0)的(de)(de)一個(ge)通道用來產(chan)生控制(zhi)降(jiang)壓(ya)(ya)轉(zhuan)換(huan)器開關的(de)(de)PWM信號。由于LPC916帶(dai)有其(qi)自己的(de)(de)片上RC振(zhen)蕩(dang)器，故(gu)充電(dian)更(geng)加穩定而有效--尤(you)其(qi)在(zai)電(dian)壓(ya)(ya)控制(zhi)工作模式下。所需的(de)(de)PWM頻率(lv)僅大約為14kHz，故(gu)能很好地控制(zhi)在(zai)片上振(zhen)蕩(dang)器的(de)(de)頻率(lv)范圍內。可通過(guo)改變降(jiang)壓(ya)(ya)轉(zhuan)換(huan)器的(de)(de)“開”時間來調(diao)整(zheng)PWM占空比。

系統設計

       圖2為鋰電池充電器系統組成框圖。其中PWM輸出控制充電開關，且其占空比可根據需要用充電電壓及電流的反饋來調整。LPC916的8位片上高速A/D轉換器提供了監視充電電壓所需的高精度。避免鋰離子應用中的過充電非常重要，因為將充電保持在其最大值以內可延長電池的使用壽命。表1為該電路的輸入/輸出參數規格。
　

       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系。電感值可通過假設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(li)電(dian)(dian)(dian)池(chi)應以三個(ge)獨立的階(jie)段來充(chong)電(dian)(dian)(dian)。如果電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)低于3V，則需(xu)要(yao)有預充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段且(qie)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)應保持(chi)為(wei)65mA。一旦電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)達到(dao)3V+-1%，即開(kai)始(shi)進入快速充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段，并(bing)采用350mA的恒定(ding)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)。通過(guo)調整控制(zhi)脈沖可使充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)保持(chi)恒定(ding)。當電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)達到(dao)4V+-1%時，即開(kai)始(shi)接(jie)恒定(ding)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段。此時電(dian)(dian)(dian)壓(ya)被(bei)保持(chi)在4.23V，充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)處于監視下。

       在恒定電壓充(chong)(chong)電階段(duan)之后，電池被另外再(zai)充(chong)(chong)電50分鐘，同時保持充(chong)(chong)電電流小于(yu)30mA。充(chong)(chong)電時間(jian)可用一個計時器來(lai)控制，但監(jian)視(shi)充(chong)(chong)電終結的方法有三種：檢測(ce)充(chong)(chong)電電流、使用計時器以及監(jian)視(shi)溫度(可選)。

       充電過程如(ru)圖(tu)3所示。從一(yi)個階段(duan)進入到另(ling)一(yi)個階段(duan)的準(zhun)確標志如(ru)下：

       預充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)(當(dang)(dang)需要時)：如果Vbat<3.0(1%，則設置Iout=10%；Ireg=65mA；快速充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)(恒定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian)(dian))：當(dang)(dang)Vbat<=4.00+-1%V時，設置Iout=Ireg=350mA；計(ji)時器控制(zhi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)(恒定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)壓充(chong)電(dian)(dian)(dian))：當(dang)(dang)Ibat<60mA時，設置Vout=Vreg=4.23V(50分鐘)以保證(zheng)電(dian)(dian)(dian)池充(chong)分充(chong)電(dian)(dian)(dian)，但(dan)使充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流小于30mA。

       充電(dian)在(zai)4小時內(nei)完成。

       考慮到(dao)最(zui)終用戶(hu)，設計(ji)中采用了LED狀態指示燈，以提(ti)供(gong)有(you)關充(chong)電(dian)序列狀態的(de)信息。

       設(she)計方案的測試(shi)

       可用來在充電過程中測試(shi)該設(she)計的電路框圖(tu)如(ru)圖(tu)4所示。用兩(liang)塊萬用表來測量Vout及Vsense_res讀數。

       Vout=Vbat+Vsense_res，充電電流可(ke)用公(gong)式Iout=Vsense res/0.75來計算(suan)。

       當充電開(kai)始時，每15秒記錄一(yi)次(ci)數據，但當電流及電壓(ya)穩定后，記錄周期可縮短(duan)為每5秒記錄一(yi)次(ci)。

       結(jie)果(guo)可能(neng)會隨不同電(dian)池(chi)的(de)化(hua)學特征而變化(hua)，而且電(dian)池(chi)的(de)起始電(dian)壓(ya)也對結(jie)果(guo)有影響。