基于MCU設計的離線鋰電池充電器

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。

圖1：(a)：降壓轉換器開關“開”；(b)：降壓轉換器開關“關”

?????? 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閃存及適當外圍以提供一種廉價解決方案的飛利浦 80C51型MCU就是這樣一個例子。集成化閃存還能提供高效及方便地調試應用代碼并進行現場軟件升級(如果需要)的能力。

?????? 由于設計界不僅熟悉而且廣泛接受8位MCU，故軟硬件開發可快速進行。由眾多廠商提供的各種功能強大且并不昂貴的應用開發工具，也是這種方法的另一項優勢。

?????? 利用這種方法，設計團隊不僅能極大地縮短設計周期，而且還能進行更為復雜的設計，并使項目的整體材料費(BOM)不超出可接受的范圍。

圖2：由LPC916控制的鋰電池充電器解決方案　

外圍電路集成

?????? 譬如，當MCU集成有內部振蕩器時，離線鋰電池充電器設計可從以下兩方面獲益。首先，可省掉外部振蕩器，從而節省成本及PCB占位；其次，內部振蕩器可提高系統啟動時的穩定性。

?????? 四通道A/D轉換器是設計工程師們應該尋求集成到芯片中的另一種有價值的外圍電路。除能比使用外部A/D轉換器更節約成本外，還能用它來檢測充電電壓、電流及電池溫度--幾乎包括安全電池充電操作中的所有重要參數。

?????? 用來實現以下所介紹設計的MCU(P89LPC916)不僅集成了上述所有這些特性而且還擁有可同時在兩個時鐘上執行指令的高性能處理器架構，從而將其性能提高至標準80C51器件的6倍。Time0(計時器0)很容易被配置成PWM輸出，故易于設置及使用PWM功能。

基本電池充電標準
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圖3：鋰電池充電過程　

????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。

?????充電順序分成以下三個階段：預充電階段、恒定電流充電階段及恒定電壓充電階段。

?????當電池只剩下很少的電量且因此而只能產生很低的輸出電壓時，就必須有預充電階段。在此情況下，必須采用低電流充電以保護電池。但如果被充電電池可產生較高電壓(>3V)，則可省略掉預充電階段。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。電池的最大允許充電電流由該電池的額定容量決定。對于快速充電，例如額定700mAh的電池，可用350-400mA電流來充電。

?????? 在鋰電池情況下，MCU必須在保持電池正常充電電壓的同時還監視充電電流，以在電池充滿時能終止充電過程。

?????? 溫度監視可用來確保執行安全的充電步驟，因為隨著電池充滿，任何額外的電能都將被轉換成熱量。盡管MCU必須為其完成的功能增加溫度監視，但當今市場上的大多數鋰電池都帶有內置過充電保護，故溫度監視盡管需要但卻很少使用。

降壓轉換器設計

圖4：測試電路

?????? 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的信號控制充電開關。當開關閉合時(圖1a)，電流由于充電器提供的電壓(充電器Vin)而流過電路，此時電容通過電感充電。

?????? 當開關打開時(如1b所示)，電感試圖通過感應電壓來保持電流流動，但它不能立刻充電。然后電流流過肖特基二極管并給電容充電。此過程循環往復。

?????? 當通過減少PWM占空比來縮短開關“通”時間時，平均電壓減少。相反，當通過增加PWM占空比來延長開關“斷”時間時，平均電壓增加。故通過控制PWM占空比來使MCU調整充電電壓(或電流)可達到所需的輸出值。

在討論設計細節以前，需先討論與電感及電容有關的兩個要點：

???? 1．電感大小

?????? 不難看出，確定降壓轉換器電感的大小是達到合適充電電壓及電流的關鍵。電感大小也與成本有關。電感容量可用公式1來計算：

??????公式1

?????? 其中：Vi：輸入至開關的充電器電壓；
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圖5：輸出電壓測試結果 　

?????? 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的開關頻率越高(亦即開關周期T越小)，則所需的電感越小，這有助于減少器件成本。

?????? 2．電容大小

?????? 還需注意的是，此電路中的電容完全是用來減少紋波電流，故越大越好，因為紋波與電容值成反比。

設計要點

?????? 本設計基于飛利浦P89LPC916型MCU，其整體設計思想是，通過先用恒定電流充電、然后再用恒定電壓充電來實現盡可能快的充電。MCU還控制用于指示充電器工作狀態的LED。

?????1．精密電源
　

圖6：輸出電流測試結果

?????? 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(定時器0)的一個通道用來產生控制降壓轉換器開關的PWM信號。由于LPC916帶有其自己的片上RC振蕩器，故充電更加穩定而有效--尤其在電壓控制工作模式下。所需的PWM頻率僅大約為14kHz，故能很好地控制在片上振蕩器的頻率范圍內?？赏ㄟ^改變降壓轉換器的“開”時間來調整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。
　

表1：圖2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。

?????? 鋰電池應以三個獨立的階段來充電。如果電池電壓低于3V，則需要有預充電階段且充電電流應保持為65mA。一旦電池電壓達到3V+-1%，即開始進入快速充電階段，并采用350mA的恒定充電電流。通過調整控制脈沖可使充電電流保持恒定。當電池電壓達到4V+-1%時，即開始接恒定電壓充電階段。此時電壓被保持在4.23V，充電電流處于監視下。

?????? 在恒定電壓充電階段之后，電池被另外再充電50分鐘，同時保持充電電流小于30mA。充電時間可用一個計時器來控制，但監視充電終結的方法有三種：檢測充電電流、使用計時器以及監視溫度(可選)。

?????? 充電過程如圖3所示。從一個階段進入到另一個階段的準確標志如下：

?????? 預充電階段(當需要時)：如果Vbat<3.0(1%，則設置Iout=10%；Ireg=65mA；快速充電階段(恒定電流充電)：當Vbat<=4.00+-1%V時，設置Iout=Ireg=350mA；計時器控制充電階段(恒定電壓充電)：當Ibat<60mA時，設置Vout=Vreg=4.23V(50分鐘)以保證電池充分充電，但使充電電流小于30mA。

?????? 充電在4小時內完成。

?????? 考慮到最終用戶，設計中采用了LED狀態指示燈，以提供有關充電序列狀態的信息。

?????? 設計方案的測試

?????? 可用來在充電過程中測試該設計的電路框圖如圖4所示。用兩塊萬用表來測量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。

?????? 當充電開始時，每15秒記錄一次數據，但當電流及電壓穩定后，記錄周期可縮短為每5秒記錄一次。

?????? 結果可能會隨不同電池的化學特征而變化，而且電池的起始電壓也對結果有影響。圖5及圖6顯示該設計滿足指標