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(dai)2KB閃存及(ji)適當(dang)外(wai)圍以提供一種(zhong)廉價解(jie)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(xiao)及(ji)方便地調試(shi)應(ying)用代碼并進行現場軟件(jian)升級(如果需要)的能力。

       由于設計界不僅(jin)熟悉而且廣(guang)泛(fan)接受8位(wei)MCU，故軟硬件開發(fa)可快速進行。由眾多廠商提(ti)供的(de)(de)各種功能(neng)強(qiang)大且并不昂貴(gui)的(de)(de)應用開發(fa)工具，也是這種方(fang)法的(de)(de)另一項(xiang)優勢。

       利用(yong)這種方(fang)法，設(she)計團(tuan)隊(dui)不僅能(neng)極大地(di)縮短設(she)計周期，而(er)且還(huan)能(neng)進行更(geng)為復(fu)雜的設(she)計，并(bing)使項目的整體(ti)材料費(BOM)不超(chao)出可接受的范(fan)圍。

外圍電路集成
       譬如，當MCU集成有(you)內(nei)部振(zhen)蕩(dang)器時，離(li)線(xian)鋰電(dian)池充電(dian)器設(she)計(ji)可(ke)從(cong)以下兩方面(mian)獲(huo)益。首先，可(ke)省(sheng)掉外(wai)部振(zhen)蕩(dang)器，從(cong)而節(jie)省(sheng)成本及(ji)PCB占位；其次，內(nei)部振(zhen)蕩(dang)器可(ke)提高(gao)系(xi)統啟動(dong)時的穩定性。

       四(si)通道A/D轉換器(qi)是設計(ji)工(gong)程師們應該尋求(qiu)集成(cheng)到芯(xin)片中的(de)(de)另一種有價值的(de)(de)外圍電(dian)路。除能比使用(yong)外部A/D轉換器(qi)更節約成(cheng)本外，還(huan)能用(yong)它來檢測充電(dian)電(dian)壓、電(dian)流及電(dian)池(chi)溫度--幾乎包括(kuo)安全電(dian)池(chi)充電(dian)操作中的(de)(de)所有重要參數。

       用(yong)(yong)來實現(xian)以下所介紹設計的MCU(P89LPC916)不僅(jin)集(ji)成(cheng)了上(shang)(shang)述所有(you)這些特(te)性而且還擁有(you)可同時在(zai)兩個時鐘上(shang)(shang)執行(xing)指令的高(gao)性能處理(li)器(qi)(qi)架構，從而將(jiang)其性能提(ti)高(gao)至(zhi)標(biao)準80C51器(qi)(qi)件的6倍。Time0(計時器(qi)(qi)0)很容易被配置成(cheng)PWM輸出(chu)，故易于(yu)設置及(ji)使(shi)用(yong)(yong)PWM功能。

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)(dian)(dian)順序分成以(yi)下三個階段：預充(chong)電(dian)(dian)(dian)階段、恒定電(dian)(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian)(dian)階段及(ji)恒定電(dian)(dian)(dian)壓充(chong)電(dian)(dian)(dian)階段。

     當電池只(zhi)剩下(xia)很少的電量且因此而只(zhi)能產(chan)生很低(di)的輸出電壓(ya)時(shi)，就必須(xu)有預(yu)充(chong)電階段。在此情況下(xia)，必須(xu)采用低(di)電流充(chong)電以保護電池。但如果被充(chong)電電池可產(chan)生較(jiao)高電壓(ya)(>3V)，則(ze)可省略掉預(yu)充(chong)電階段。當然(ran)，這是最(zui)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(liu)(liu)入電(dian)(dian)池。電(dian)(dian)池的(de)最(zui)大允許(xu)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)由(you)該電(dian)(dian)池的(de)額(e)定容(rong)量決定。對(dui)于快速充電(dian)(dian)，例如額(e)定700mAh的(de)電(dian)(dian)池，可(ke)用350-400mA電(dian)(dian)流(liu)(liu)來充電(dian)(dian)。

       在(zai)鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)情況下，MCU必須在(zai)保持電(dian)(dian)(dian)池(chi)正常充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)的同時(shi)還監視充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流，以在(zai)電(dian)(dian)(dian)池(chi)充滿時(shi)能終止充電(dian)(dian)(dian)過程。

       溫度監(jian)視可用來確保(bao)執行安全的(de)充(chong)電(dian)(dian)步驟，因為隨著電(dian)(dian)池(chi)充(chong)滿(man)，任何額外的(de)電(dian)(dian)能都將被(bei)轉換(huan)成熱量。盡(jin)管MCU必(bi)須為其完成的(de)功能增加(jia)溫度監(jian)視，但(dan)當今市場(chang)上的(de)大(da)多數鋰電(dian)(dian)池(chi)都帶有內置(zhi)過(guo)充(chong)電(dian)(dian)保(bao)護，故溫度監(jian)視盡(jin)管需要(yao)但(dan)卻很(hen)少(shao)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。
       來自PWM的(de)信號(hao)控制充電開關。當開關閉合時(圖(tu)1a)，電流由于充電器(qi)提(ti)供的(de)電壓(充電器(qi)Vin)而流過電路，此時電容通過電感充電。

       當開(kai)關打(da)開(kai)時(如1b所示)，電(dian)(dian)感(gan)試圖通(tong)過感(gan)應電(dian)(dian)壓來保持(chi)電(dian)(dian)流(liu)流(liu)動，但它不(bu)能立刻充電(dian)(dian)。然后電(dian)(dian)流(liu)流(liu)過肖(xiao)特基二極管并給電(dian)(dian)容(rong)充電(dian)(dian)。此(ci)過程循環往復。

       當通過減少PWM占(zhan)(zhan)空(kong)比來縮短開關(guan)“通”時間時，平均電壓(ya)(ya)減少。相反，當通過增加PWM占(zhan)(zhan)空(kong)比來延(yan)長開關(guan)“斷”時間時，平均電壓(ya)(ya)增加。故通過控制PWM占(zhan)(zhan)空(kong)比來使MCU調整充電電壓(ya)(ya)(或電流)可(ke)達到(dao)所需的輸出(chu)值。

在討(tao)(tao)論設計細節以(yi)前，需(xu)先(xian)討(tao)(tao)論與電感及(ji)電容有關的兩(liang)個要點：

     1．電(dian)感大小

       不難看出，確定降壓轉換器電(dian)感(gan)的大小是達到(dao)合適充電(dian)電(dian)壓及電(dian)流(liu)的關鍵。電(dian)感(gan)大小也(ye)與成本有關。電(dian)感(gan)容量可用公式(shi)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顯示PWM的(de)開(kai)關頻率越高(gao)(亦(yi)即開(kai)關周期T越小)，則所需(xu)的(de)電感(gan)越小，這有(you)助于減少(shao)器件成本。

       2．電容大小

       還需(xu)注意的是，此(ci)電路中(zhong)的電容(rong)完全是用來減少紋(wen)波(bo)電流(liu)，故越大越好，因為紋(wen)波(bo)與電容(rong)值成反比。

設計要點

       本設計(ji)基于飛利浦P89LPC916型MCU，其整體設計(ji)思想是(shi)，通過先用(yong)恒(heng)定電(dian)(dian)(dian)流(liu)充電(dian)(dian)(dian)、然(ran)后再用(yong)恒(heng)定電(dian)(dian)(dian)壓充電(dian)(dian)(dian)來實(shi)現盡可能快的充電(dian)(dian)(dian)。MCU還控制用(yong)于指(zhi)示充電(dian)(dian)(dian)器工作狀(zhuang)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輸出解決方案

       Timer0(定(ding)時器0)的(de)(de)一個通(tong)道(dao)用來產生控制(zhi)(zhi)降壓(ya)(ya)(ya)轉換器開關的(de)(de)PWM信號。由(you)于(yu)LPC916帶有(you)其(qi)自(zi)己的(de)(de)片上RC振蕩器，故(gu)充電更加穩(wen)定(ding)而有(you)效--尤其(qi)在電壓(ya)(ya)(ya)控制(zhi)(zhi)工作模(mo)式下。所需的(de)(de)PWM頻率僅(jin)大約為14kHz，故(gu)能(neng)很好地控制(zhi)(zhi)在片上振蕩器的(de)(de)頻率范圍內。可通(tong)過改(gai)變降壓(ya)(ya)(ya)轉換器的(de)(de)“開”時間來調整PWM占空(kong)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。
       鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池應(ying)以三(san)個獨(du)立的階(jie)段(duan)來(lai)充電(dian)(dian)(dian)(dian)。如(ru)果(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)低(di)于3V，則需(xu)要有(you)預充電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)且充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流應(ying)保持(chi)為65mA。一旦(dan)電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)達到(dao)3V+-1%，即開(kai)始進入(ru)快速充電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)，并(bing)采(cai)用350mA的恒(heng)定充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流。通過(guo)調整控制脈(mo)沖可(ke)使充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流保持(chi)恒(heng)定。當(dang)電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)達到(dao)4V+-1%時，即開(kai)始接(jie)恒(heng)定電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)充電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)。此時電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)被保持(chi)在4.23V，充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流處于監視下。

       在恒定(ding)電(dian)壓(ya)充(chong)(chong)電(dian)階段之后，電(dian)池被另外再充(chong)(chong)電(dian)50分鐘，同時保持(chi)充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)(liu)小于30mA。充(chong)(chong)電(dian)時間可(ke)用一個計時器(qi)來控制，但監視充(chong)(chong)電(dian)終結的方法有三種(zhong)：檢(jian)測(ce)充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)(liu)、使(shi)用計時器(qi)以及監視溫度(du)(可(ke)選)。

       充電過程(cheng)如圖3所示。從一個階(jie)(jie)段進入到(dao)另一個階(jie)(jie)段的準確標志如下：

       預充(chong)電(dian)(dian)階(jie)段(duan)(當需(xu)要時)：如果(guo)Vbat<3.0(1%，則設置Iout=10%；Ireg=65mA；快(kuai)速充(chong)電(dian)(dian)階(jie)段(duan)(恒定電(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian))：當Vbat<=4.00+-1%V時，設置Iout=Ireg=350mA；計時器控(kong)制充(chong)電(dian)(dian)階(jie)段(duan)(恒定電(dian)(dian)壓充(chong)電(dian)(dian))：當Ibat<60mA時，設置Vout=Vreg=4.23V(50分鐘)以(yi)保證(zheng)電(dian)(dian)池充(chong)分充(chong)電(dian)(dian)，但使充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流小于30mA。

       充電在4小時(shi)內完成。

       考慮到最終用戶，設計中采(cai)用了LED狀態(tai)指示燈，以提供有關充(chong)電序(xu)列(lie)狀態(tai)的信息。

       設計方案的測試

       可(ke)用來(lai)(lai)在充電過程中測(ce)試該設計的電路框圖如(ru)圖4所示。用兩塊萬用表(biao)來(lai)(lai)測(ce)量Vout及Vsense_res讀數。

       Vout=Vbat+Vsense_res，充電電流可用公式Iout=Vsense res/0.75來計算。

       當充電(dian)開始時，每(mei)15秒記錄一次數據，但當電(dian)流及電(dian)壓穩定后，記錄周期可縮短為每(mei)5秒記錄一次。

       結(jie)果(guo)可能會隨不同電池的化學特征而變化，而且電池的起(qi)始電壓也對結(jie)果(guo)有影響。