一種混合信號(hào)通用電池充電器設(shè)計(jì)

　　策略和方法

　　對(duì)混合信號(hào)的設(shè)計(jì)采用分兩部分的方式，首先選擇單片機(jī)，用于讀取電池組狀態(tài)(電壓和溫度)，并對(duì)SEPIC穩(wěn)壓器輸出電流編程，本文選擇使用PIC12F6838引腳閃存單片機(jī)。然后，再選擇內(nèi)置MOSFET驅(qū)動(dòng)器的高速模擬PWM控制器(如MCP1630)，組成“模擬”可編程電流源。

　　設(shè)計(jì)SEPIC可編程電流源

　　與所有開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)一樣，輸出是通過(guò)改變占空比，或開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的比例(Q1，見(jiàn)圖2)來(lái)控制的。為穩(wěn)定流入電池的電流，必須檢測(cè)充電電流。如圖2所示，電流檢測(cè)元件并沒(méi)有與電池串聯(lián)。SEPIC穩(wěn)壓器次級(jí)繞組Ls承載平均輸出電流。初級(jí)繞組Lp承載平均輸入電流。次級(jí)電阻Rs用來(lái)檢測(cè)電池充電電流。高速模擬PWM參考輸入則決定電池充電電流。

　　圖 2 混合信號(hào)電池充電器框圖

　　混合信號(hào)設(shè)計(jì)

　　利用MCP1630作為模擬PWM和驅(qū)動(dòng)器，可以獲得一個(gè)可編程的SEPIC電流源。PWM和驅(qū)動(dòng)器提供模擬穩(wěn)流功能、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)以及高速過(guò)流保護(hù)。PIC12F683單片機(jī)設(shè)定SEPIC電源開(kāi)關(guān)頻率(500 kHz)并編程設(shè)定SEPIC恒定輸出電流。PWM和驅(qū)動(dòng)器利用單片機(jī)中的硬件PWM來(lái)設(shè)定SEPIC開(kāi)關(guān)頻率和最大占空比。硬件PWM頻率等于SEPIC電源開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)，硬件PWM占空比確定了最大SEPIC電源占空比。單片機(jī)的硬件PWM輸出500 kHz，25%占空比的脈沖將SEPIC開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為500 kHz，最大占空比75%。標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)I/O引腳利用簡(jiǎn)單的RC濾波器生成軟件可編程的參考電壓。這一可編程的參考電壓用來(lái)設(shè)定SEPIC轉(zhuǎn)換器輸出精確恒定的充電電流。 在同相輸入(Vref)端，可編程參考電壓確定了電池充電電流值。調(diào)整MCP1630 PWM輸出占空比(Vext)，直到Vref輸入電壓與誤差放大器FB輸入端電壓相等。通過(guò)調(diào)節(jié)Vref 輸入引腳的電壓就可相應(yīng)調(diào)整電池電流。 PWM和驅(qū)動(dòng)器能夠以大于 500 kHz的頻率驅(qū)動(dòng)MOSFET，同時(shí)利用一個(gè)內(nèi)部高速(典型值為12ns)比較器來(lái)監(jiān)測(cè)SEPIC開(kāi)關(guān)電流。如果開(kāi)關(guān)電流太大，PWM占空比就會(huì)為0，從而限制電池電流。

　　最后，充電電流還將根據(jù)來(lái)自ADC的電池電壓和溫度等信息進(jìn)行調(diào)節(jié)。要進(jìn)入恒壓充電階段，單片機(jī)的ADC讀取電池電壓并更新可編程電流源(SEPIC)，以保持電池電壓為4.2V。這一過(guò)程的電池電壓變化速率遠(yuǎn)快于恒流充電時(shí)的速率。對(duì)于鋰離子電池，當(dāng)維持電池電壓為4.2V所需要的電流降低到一定值(100mA)時(shí)，充電周期結(jié)束。這是利用固件設(shè)定的，并且可以方便地修改以滿(mǎn)足不同電池生產(chǎn)商的推薦值。在典型的模擬充電器中，充電結(jié)束電流是充電周期電流的一定比例，因此不容易改變。對(duì)鎳氫電池，快速充電階段結(jié)束時(shí)，需要滿(mǎn)足下面一個(gè)條件或同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：電池電壓保持恒定或隨著時(shí)間下降，或者電池組溫度高于預(yù)定值。快速充電結(jié)束后，就開(kāi)始進(jìn)行定時(shí)涓流浮充。ADC輸入和電池組熱電偶相配合可以檢測(cè)電池溫度。通過(guò)讀出“TEMP_SENSE”輸入端的電壓，可以確定電池溫度。當(dāng)檢測(cè)到電池電壓太高時(shí)，PIC12F683 中斷代碼可以提供過(guò)壓保護(hù)(OV)。SEPIC轉(zhuǎn)換器在不到1ms的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷，在電池端接端造成的電壓過(guò)沖最小。SEPIC轉(zhuǎn)換器二極管阻止電池向充電器放電。從電池流出的靜態(tài)電流只有電池電壓檢測(cè)一個(gè)通道，此時(shí)的電流大小通常不到5 mA。

　　可選的特性

　　此外，結(jié)合一個(gè)單片機(jī)和多個(gè)高速模擬PWM模塊還可以增加更多功能，例如針對(duì)多組電池充電應(yīng)用的充電器組，異相開(kāi)關(guān)技術(shù)以及輸入電源預(yù)算功能。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在開(kāi)發(fā)電池充電器時(shí)采用混合信號(hào)方式，可以充分發(fā)揮模擬和數(shù)字兩方面的優(yōu)點(diǎn)?；诨旌闲盘?hào)的設(shè)計(jì)支持高頻工作(500kHz)、高速保護(hù)(12ns,從電流檢測(cè)到輸出)，并可將濾波器件的尺寸縮到最小。此外，系統(tǒng)的可編程數(shù)字功能還可以準(zhǔn)確判斷充電的不同階段并設(shè)定充電電流。 由于可以容易地進(jìn)行電流設(shè)置和編程，因此，通過(guò)固件就可以支持新的電池充電方法，這種設(shè)計(jì)并不僅僅適用于鋰離子和鎳氫電池，同時(shí)還可通過(guò)編程支持未來(lái)的可充電技術(shù)。