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(shi)當外(wai)圍以提供一(yi)種廉價解決方案的(de)飛利(li)浦 80C51型MCU就是這樣一(yi)個例子。集成化閃(shan)存還(huan)能提供高效及(ji)方便地調試應用(yong)代碼并進行現場(chang)軟件升級(如(ru)果需要)的(de)能力。

       由于設計界不僅熟悉而(er)且廣泛接受8位MCU，故軟硬件開發可快速進行。由眾多廠商提供的各種(zhong)功能(neng)強大且并不昂(ang)貴的應(ying)用開發工具，也是這種(zhong)方法的另一(yi)項優(you)勢。

       利(li)用(yong)這種方法，設計(ji)團隊(dui)不(bu)僅(jin)能極大地縮短設計(ji)周期，而且還能進(jin)行(xing)更為復雜(za)的(de)設計(ji)，并使項目的(de)整體材(cai)料費(BOM)不(bu)超出可接受(shou)的(de)范圍。

外圍電路集成
       譬如，當(dang)MCU集成有內部振蕩器時，離線鋰電池充電器設計可從(cong)以下(xia)兩方面(mian)獲益。首先，可省掉外部振蕩器，從(cong)而(er)節省成本及PCB占位(wei)；其次，內部振蕩器可提高系統(tong)啟動時的(de)穩定性(xing)。

       四(si)通道A/D轉換器是設(she)計(ji)工程師們應該尋求集成到芯片中的另一種有價值的外(wai)(wai)圍(wei)電(dian)路。除能比使用外(wai)(wai)部A/D轉換器更(geng)節約(yue)成本(ben)外(wai)(wai)，還能用它(ta)來檢測充電(dian)電(dian)壓、電(dian)流及電(dian)池溫度--幾乎包括安全(quan)電(dian)池充電(dian)操作(zuo)中的所有重要參數。

       用(yong)來(lai)實現以下所(suo)介紹設計的(de)MCU(P89LPC916)不僅集成(cheng)了上(shang)述所(suo)有這些(xie)特性(xing)而且還(huan)擁(yong)有可同時在兩個(ge)時鐘上(shang)執行指(zhi)令的(de)高性(xing)能(neng)處理器架構，從而將其(qi)性(xing)能(neng)提(ti)高至標準80C51器件的(de)6倍。Time0(計時器0)很(hen)容易被配置成(cheng)PWM輸(shu)出，故易于設置及使(shi)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)(dian)順序分成以下三(san)個階段(duan)：預充(chong)電(dian)(dian)階段(duan)、恒定電(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian)階段(duan)及恒定電(dian)(dian)壓充(chong)電(dian)(dian)階段(duan)。

     當電(dian)(dian)(dian)池只(zhi)剩(sheng)下很少的(de)電(dian)(dian)(dian)量且因此(ci)(ci)而只(zhi)能產生很低的(de)輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)時，就必須有預(yu)(yu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)。在(zai)此(ci)(ci)情況(kuang)下，必須采用低電(dian)(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian)(dian)以保護(hu)電(dian)(dian)(dian)池。但如果被充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池可產生較高(gao)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(>3V)，則(ze)可省略掉預(yu)(yu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)。當然(ran)，這是最普遍(bian)的(de)情況(kuang)。

       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(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)。電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的最大(da)允許充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流由該電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的額(e)定(ding)容量決定(ding)。對于快速充電(dian)(dian)(dian)(dian)，例如(ru)額(e)定(ding)700mAh的電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，可用350-400mA電(dian)(dian)(dian)(dian)流來充電(dian)(dian)(dian)(dian)。

       在鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)情況下，MCU必須在保持電(dian)(dian)(dian)池(chi)正常充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓的同(tong)時(shi)還監視(shi)充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流，以在電(dian)(dian)(dian)池(chi)充滿時(shi)能終止(zhi)充電(dian)(dian)(dian)過(guo)程(cheng)。

       溫度(du)監視可用來確保執行(xing)安全的(de)充電(dian)步驟(zou)，因為隨著電(dian)池充滿，任(ren)何額外的(de)電(dian)能都(dou)將被轉換成熱量。盡管(guan)MCU必須(xu)為其完(wan)成的(de)功能增加溫度(du)監視，但(dan)(dan)當今(jin)市(shi)場上(shang)的(de)大多(duo)數鋰電(dian)池都(dou)帶有內置(zhi)過充電(dian)保護，故(gu)溫度(du)監視盡管(guan)需要但(dan)(dan)卻(que)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。
       來自PWM的信號控制充(chong)電(dian)開關(guan)。當(dang)開關(guan)閉合時(shi)(圖1a)，電(dian)流(liu)由于充(chong)電(dian)器提供的電(dian)壓(ya)(充(chong)電(dian)器Vin)而流(liu)過(guo)電(dian)路，此(ci)時(shi)電(dian)容(rong)通(tong)過(guo)電(dian)感充(chong)電(dian)。

       當開(kai)關打開(kai)時(如1b所示(shi))，電(dian)(dian)感(gan)試圖通(tong)過感(gan)應電(dian)(dian)壓來保持電(dian)(dian)流(liu)流(liu)動，但它不能立刻充(chong)電(dian)(dian)。然后(hou)電(dian)(dian)流(liu)流(liu)過肖特基二極管并給電(dian)(dian)容(rong)充(chong)電(dian)(dian)。此過程循環(huan)往復。

       當通過減少PWM占空(kong)比來(lai)縮短開關(guan)“通”時間(jian)時，平均(jun)電(dian)壓(ya)減少。相反(fan)，當通過增(zeng)(zeng)加(jia)PWM占空(kong)比來(lai)延長開關(guan)“斷”時間(jian)時，平均(jun)電(dian)壓(ya)增(zeng)(zeng)加(jia)。故通過控制PWM占空(kong)比來(lai)使MCU調(diao)整充電(dian)電(dian)壓(ya)(或電(dian)流)可(ke)達到(dao)所需(xu)的輸(shu)出(chu)值。

在(zai)討(tao)論(lun)設計細節以前(qian)，需先討(tao)論(lun)與電感及電容有(you)關的(de)兩(liang)個要點：

     1．電感大小

       不(bu)難看(kan)出，確定降壓轉換器電(dian)(dian)感(gan)的(de)(de)大(da)小是(shi)達到合適充電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓及電(dian)(dian)流的(de)(de)關(guan)鍵。電(dian)(dian)感(gan)大(da)小也與成本(ben)有(you)關(guan)。電(dian)(dian)感(gan)容量(liang)可用(yong)公(gong)式(shi)1來(lai)計算：

      公式(shi)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(gong)式1顯示(shi)PWM的(de)開關頻(pin)率越高(亦即(ji)開關周期T越小)，則所需(xu)的(de)電感越小，這(zhe)有(you)助(zhu)于(yu)減少器件(jian)成(cheng)本(ben)。

       2．電容大(da)小

       還需注意的(de)是，此(ci)電路中的(de)電容完全(quan)是用(yong)來(lai)減少(shao)紋(wen)(wen)波(bo)電流，故越(yue)大越(yue)好(hao)，因為紋(wen)(wen)波(bo)與電容值成反比。

設計要點

       本設計(ji)基(ji)于飛利浦P89LPC916型MCU，其整(zheng)體設計(ji)思想是，通過(guo)先用(yong)(yong)恒定電(dian)流充電(dian)、然后再用(yong)(yong)恒定電(dian)壓充電(dian)來實現盡可能快的充電(dian)。MCU還控制用(yong)(yong)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(shu)出解決方案

       Timer0(定時器(qi)(qi)0)的(de)(de)(de)一(yi)個通道用來(lai)產生(sheng)控制降(jiang)壓轉換器(qi)(qi)開(kai)關的(de)(de)(de)PWM信號。由于LPC916帶有其自己(ji)的(de)(de)(de)片上RC振蕩器(qi)(qi)，故充(chong)電更加穩(wen)定而有效--尤其在電壓控制工(gong)作模式下。所需(xu)的(de)(de)(de)PWM頻率(lv)(lv)僅大約為14kHz，故能很好地控制在片上振蕩器(qi)(qi)的(de)(de)(de)頻率(lv)(lv)范(fan)圍內。可通過(guo)改(gai)變(bian)降(jiang)壓轉換器(qi)(qi)的(de)(de)(de)“開(kai)”時間來(lai)調整(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。
       鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)應以三個獨立的(de)階(jie)段(duan)(duan)來充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。如果電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓低于3V，則需要有預充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)(duan)且充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流應保持(chi)為(wei)65mA。一旦電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓達到(dao)3V+-1%，即(ji)開始進入快速充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)(duan)，并采用350mA的(de)恒定(ding)(ding)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流。通過調整控制脈沖可使充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流保持(chi)恒定(ding)(ding)。當(dang)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓達到(dao)4V+-1%時，即(ji)開始接恒定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)(duan)。此時電(dian)(dian)(dian)(dian)壓被(bei)保持(chi)在(zai)4.23V，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流處于監視下(xia)。

       在(zai)恒(heng)定電(dian)(dian)壓(ya)充電(dian)(dian)階段之后(hou)，電(dian)(dian)池被另外(wai)再(zai)充電(dian)(dian)50分(fen)鐘，同時(shi)保持充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流小于(yu)30mA。充電(dian)(dian)時(shi)間可用一個計時(shi)器來(lai)控(kong)制，但監視充電(dian)(dian)終結的方法有三種：檢測充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流、使用計時(shi)器以及(ji)監視溫度(可選)。

       充電過(guo)程(cheng)如(ru)圖3所示。從(cong)一個階段進入到另一個階段的準確標志如(ru)下：

       預(yu)充(chong)電(dian)(dian)階段(當需要時(shi)(shi))：如果Vbat<3.0(1%，則(ze)設置(zhi)Iout=10%；Ireg=65mA；快(kuai)速充(chong)電(dian)(dian)階段(恒定電(dian)(dian)流(liu)充(chong)電(dian)(dian))：當Vbat<=4.00+-1%V時(shi)(shi)，設置(zhi)Iout=Ireg=350mA；計時(shi)(shi)器控制充(chong)電(dian)(dian)階段(恒定電(dian)(dian)壓充(chong)電(dian)(dian))：當Ibat<60mA時(shi)(shi)，設置(zhi)Vout=Vreg=4.23V(50分鐘)以保證電(dian)(dian)池充(chong)分充(chong)電(dian)(dian)，但使充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)小于30mA。

       充電在4小時內(nei)完成。

       考慮到(dao)最(zui)終用戶，設(she)計中采用了LED狀態指示(shi)燈，以(yi)提供有關充電序列狀態的信息。

       設計方案的測試

       可用來在(zai)充電(dian)過程中測試該設(she)計(ji)的電(dian)路(lu)框圖如(ru)圖4所(suo)示。用兩塊(kuai)萬(wan)用表來測量(liang)Vout及Vsense_res讀數(shu)。

       Vout=Vbat+Vsense_res，充電(dian)電(dian)流可(ke)用(yong)公式Iout=Vsense res/0.75來(lai)計算。

       當充電開始時(shi)，每15秒記錄一次數據(ju)，但(dan)當電流(liu)及電壓穩定后(hou)，記錄周期可(ke)縮短為每5秒記錄一次。

       結果可(ke)能會隨不同電池的(de)化學特征而變化，而且電池的(de)起始(shi)電壓(ya)也對結果有影響。