基于RFID的手持機鋰電池快速充電電路設計

1 引言

　射頻識別技術(Radio Frequency Identification, RFID)作為快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術和信息標準化的基礎,已經被世界公認為本世紀十大重要技術之一,在生產、零售、物流、交通等各個行業有著廣闊的應用前景。射頻識別技術已逐漸成為企業提高物流供應鏈管理水平、降低成本、企業管理信息化、參與國際經濟大循環、增強競爭能力不可缺少的技術工具和手段。

　基于RFID 技術的物流供應鏈管理系統的實施, 需要各種RFID 讀寫設備。手持式RFID 讀寫設備由于其攜帶方便、便于使用的特點,在物流應用中占有較大的市場。但是現在市場上大部分手持式RFID 讀寫設備的功耗較高, 為了延長其工作時間,需要采用大容量的鋰電池供電, 如何提供一個鋰電池快速充電的一種方法,這是本文需要探討的一個問題。本文就來設計滿足RFID 手持機功耗要求的DC-DC 變換電路, 以及相應的鋰電池快速充電電路。

??? 2 升壓電路

　單節鋰電池的供電電壓為3.7V,RFID 讀寫設備的工作電壓為5V,這樣對于RFID 手持機就需要一個升壓電路。

　2.1 升壓電路的基本原理

　常用Boost 升壓電路的原理如文獻所示。該電路實現升壓的工作過程可以分為兩個階段:充電過程和放電過程。第一個階段是充電過程:當三極管Q1 導通時,電感充電,等效電路如圖1(a)所示。電源對電感充電,二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電,所以電感上的電流首先以一定的比率線性增加,這個比率與電感大小有關。隨著電感電流增加,電感中儲存了大量能量。

　第二階段是放電過程:當三極管Q1 截止時,電感放電,等效電路如圖2(b)所示。當三極管Q1 由導通變為截止時,由于電感的電流保持特性,流經電感的電流不會在瞬間變為0,而是緩慢的由充電完畢時的值變為0。而原來的通路已斷開,于是電感只能通過新電路放電,即電感開始給電容充電,電容兩端電壓升高,此時電容電壓可達到高于輸入電壓的值。

　2.2 升壓電路的設計

　升壓電路采用立锜科技的RT9266B 高效率DC-DC 升壓芯片,RT9266B 具有功耗低、靜態電流小、轉換效率高、外圍電路簡單等特點。芯片內帶有自適應的PWM 控制環、誤差放大器、比較器等,通過外接反饋電路,能夠將輸出電壓設置為需要的任何幅值,具有很高的電壓精度。電路圖如圖2 所示。

　從圖2 可知升壓電路通過外接10uH 電感儲能, 利用反饋電阻R1 與R2 控制升壓電路的輸出電壓, 利用RT9266B 內部自待的PWM 控制器控制NMOS 管的導通與截止, 來控制升壓電路的輸出電流。由于該芯片內部具有自適應的PWM 控制器,能夠適應較大的負載變化范圍。

　用該升壓電路將3.7V 2000mAh 聚合物鋰電池升壓至5V時,輸出電壓紋波只有40mV,最大輸出電流可達500mA。

??? 3 充電電路

　3.1 鋰電池充電電路的基本原理

　鋰電池的充電過程可分為三個階段:預充電、恒流充電和恒壓充電。當鋰電池的電壓低于最小充電電壓,則首先進入預充電階段,以微小電流(通常取標準電流的10%)給電池充電,直至電池電壓達到最小充電電壓。此階段的預充電能夠防止鋰電池在過放后直接以大電流恒流充電造成的損壞。當電池電壓高于最小充電電壓時,充電進入恒流充電階段。通常恒流充電電流取為0.5C(C 為鋰電池的容量)。當鋰電池的電壓達到標準電壓時,進入恒壓充電狀態, 充電電流不斷減小, 直至電流減小至100mA

　從圖2 可知升壓電路通過外接10uH 電感儲能, 利用反饋電阻R1 與R2 控制升壓電路的輸出電壓, 利用RT9266B 內部自待的PWM 控制器控制NMOS 管的導通與截止, 來控制升壓電路的輸出電流。由于該芯片內部具有自適應的PWM 控制器,能夠適應較大的負載變化范圍。

　用該升壓電路將3.7V 2000mAh 聚合物鋰電池升壓至5V時,輸出電壓紋波只有40mV,最大輸出電流可達500mA。
??? 3 充電電路

　3.1 鋰電池充電電路的基本原理

　鋰電池的充電過程可分為三個階段:預充電、恒流充電和恒壓充電。當鋰電池的電壓低于最小充電電壓,則首先進入預充電階段,以微小電流(通常取標準電流的10%)給電池充電,直至電池電壓達到最小充電電壓。此階段的預充電能夠防止鋰電池在過放后直接以大電流恒流充電造成的損壞。當電池電壓高于最小充電電壓時,充電進入恒流充電階段。通常恒流充電電流取為0.5C(C 為鋰電池的容量)。當鋰電池的電壓達到標準電壓時,進入恒壓充電狀態, 充電電流不斷減小, 直至電流減小至100mA左右,充電完成。

　3.2 鋰電池充電電路的設計

　鋰電池充電電路的原理圖如圖3 所示, 采用TI 公司的bq2057 實現。bq2057 系列是一款先進的鋰電池充電管理芯片,適合于單節(4.1V 或4.2V)或雙節(8.2V 或8.4V)鋰離子和鋰聚合物電池的充電需要。BQ2057 可以動態補償鋰電池組的內阻以減少充電時間;帶有可選的電池溫度監測,利用電池組溫度傳感器連續檢測電池溫度, 當電池溫度超出設定范圍時BQ2057 關閉對電池充電;內部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測和可編程充電電流,充電狀態識別可由輸出的LED 指示燈或與主控器接口實現,具有自動重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠、電壓精度高(優于±1%)等特性。利用該芯片設計的充電器外圍電路比較簡單,非常適合便攜式電子產品的緊湊設計需要。

　該電路通過SNS 與COMP 兩端的感應電阻R5 調節CC 端輸出PWM 波的頻率來控制Q1 三極管的導通與截止,從而實現對最大充電電流的控制。

　該電路經過實際測試, 對3.7V 2000mAh 的鋰聚合物電池充電,最大充電電流可達810mA,3 小時可以將電池充滿。充電數據如表1 所示:

　從上表可以看出,當充電電路顯示充滿時,實測電池電壓為4.12V,與標準電壓4.2V 相差0.5V。出現誤差的原因在于,在充電過程中,鋰電池的充電電流存在波動,當電流在瞬間低于某一閾值時,bq2057 認為充電完畢,關斷充電電路。

?? 4 結論

　本文設計了一種RFID 手持機鋰電池快速充電電路, 實驗數據表明使用RT9266B 和bq2057 設計的鋰電池充電和升壓電路能夠滿足實際應用的需求,而且兩款芯片的封裝尺寸教小,外圍電路簡單,非常適合應用于手持設備的電源管理。