基于Microchip MCP19125 高彈性設(shè)計(jì)的鋰電池18W充電方案

本方案要為各位介紹一片由Microchip 所開(kāi)發(fā)的混合式半數(shù)位電源開(kāi)發(fā)板--ADM00745.這片開(kāi)發(fā)板是基于MCP19125芯片并采用Fly-back方式設(shè)計(jì)成單通道的鋰電池充電器，非常適合初學(xué)者進(jìn)入混合式半數(shù)位電源充電器的世界。擁有單通道輸出、電壓與電流雙回路補(bǔ)償、還有GPIO與I2C..等界面，方便日后擴(kuò)充相關(guān)的控制與通訊功能，例如可以設(shè)計(jì)成定電壓回路(例:Power Supply)與定電流回路(例:Battery charger, LED driver)…等等的產(chǎn)品。

尤其搭配Microchip 所提供的多套免費(fèi)的開(kāi)發(fā)軟體，讓不懂寫程式的硬體工程師，可以在短時(shí)間內(nèi)不用寫一行程式就可以看到自己設(shè)定的電壓與電流輸出，(細(xì)節(jié)請(qǐng)參考【大大魚干的半數(shù)位電源講堂】--4.牛刀小試之硬體與軟體設(shè)定: https://www.wpgdadatong.com/blog/detail?BID=B1310)

也可以讓不懂電源的軟體工程師看到電源的穩(wěn)定輸出…諸如此類的的小小成果。這片開(kāi)發(fā)板的功能非常齊全、搭配原廠提供的GUI 可以在正式開(kāi)發(fā)程式前先評(píng)估電池充電的特性曲線、記錄并輸出至excel file。

接下來(lái)就讓我們看看一般的3.7V/18650鋰電池充電過(guò)程的介紹:

Step 1：涓流充電(Trickle, precondition)--涓流充電用來(lái)對(duì)完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。

在電池電壓低于3V左右時(shí)采用涓流充電，涓流充電電流可自由設(shè)定調(diào)整、但通常會(huì)是恒流充電電流的十分之一即0.1c (以恒定充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA)。

但為了判定是否為無(wú)法充電之失效電池，故在pre-condition 階段加入計(jì)數(shù)時(shí)間，當(dāng)一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有讓電池電壓≧3V 則可以判定該電池失效。

Step 2：恒流充電(Constant Current-C.C)——當(dāng)電池電壓上升到預(yù)充電電壓值以上時(shí)，即提高充電電流進(jìn)入恒流充電(C.C)，恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間、也可以設(shè)計(jì) >1C 進(jìn)入所謂的快充。

當(dāng)電池電壓隨著恒流充電過(guò)程逐步升高(一般單節(jié)3.7V電池設(shè)定的電壓為3.0-4.2V)，達(dá)到4.2V則進(jìn)入Step 3 的恒壓(Constant Voltage—C.V)充電。

Step 3：恒壓充電—— 當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，脫離恒流模式并進(jìn)入恒壓充電階段。

此時(shí)充電電流會(huì)根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過(guò)程慢慢減少，當(dāng)減小到0.01C時(shí)判定充飽而進(jìn)入充電終止Step 4。

Step 4：充電終止——通常有兩種典型的充電終止方法:

第一種是采用最小充電電流判斷或采用定時(shí)器(或者兩者的結(jié)合)。

最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流小于0.02C時(shí)終止充電。

第二種方法就是從恒壓充電階段開(kāi)始時(shí)計(jì)時(shí)，持續(xù)充電N個(gè)小時(shí)后終止充電過(guò)程。

Step 5 (option): 此階段可視產(chǎn)品應(yīng)用被選擇。
因當(dāng)電池長(zhǎng)時(shí)間期靜置在充電器或是裝置之中時(shí)，有可能內(nèi)阻的關(guān)系或是設(shè)計(jì)的因素造成已充電完成之電池電壓很緩慢的下降，但除非是已經(jīng)快損壞的電池，否則健康狀態(tài)下的電池自放電率非常的小，一般說(shuō)來(lái)至少要半年以上才會(huì)消耗10~20%左右(視電池產(chǎn)品規(guī)格)，倘若是緊急照明設(shè)備的裝置，此階段是有必要存在的。

?（C是以電池標(biāo)稱容量對(duì)照電流的一種表示方法，如電池是1000mAh的容量，1C就是充電電流1000mA。）

MCHP DEPA 系列因?yàn)橐呀?jīng)包含了MCU+PWM 相關(guān)的硬體控制，故在設(shè)計(jì)上相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單方便，配合風(fēng)味工程師的寫作能力可以輕易的設(shè)計(jì)出LED 驅(qū)動(dòng)控制、電池充電器、小型不斷電系統(tǒng)、緊急照明燈…等等。

可以想像一下DEPA 就是將具有:Core Independent Peripheral (CIP--獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè))的8bit MCU + PWM IC整合成一顆“可以自己設(shè)計(jì)的電源IC”。

請(qǐng)參考下列和DEPA同為混合式半數(shù)位電源控制的CIP充電器方案，也可以達(dá)到相類似的功能:

“基于Microchip pic161777+MCP1631的智能充電器”https://www.wpgdadatong.com/solution/detail?PID=1315

?場(chǎng)景應(yīng)用圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

· 該方案主要依靠Microchip公司的DEPA MCP19125進(jìn)行精準(zhǔn)的充電控制，

· MCP19125 內(nèi)部有8bit MCU+ PWM 控制器可以優(yōu)化外部元器件數(shù)量、從而降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、并降低干擾，

· 同時(shí)該IC 內(nèi)部具有可設(shè)定調(diào)整的PWM 基頻, Vref, Iref ...參考源，

· 還有10bit ADC, 8bit DAC、OPA 可以精準(zhǔn)的對(duì)電池進(jìn)行充電，

· 并具備多達(dá)8ch 外部A/D 輸入通道或是GPIO允許設(shè)計(jì)者自由發(fā)揮想要增加相關(guān)的保護(hù)應(yīng)用或控制。

· 同時(shí)具備有I2C通訊界面允許與外部進(jìn)行溝通、讀取充電器充電狀態(tài)(電壓、電流、溫度、時(shí)間…等資訊)

?方案規(guī)格

1 系統(tǒng)供電電壓范圍24V

2 系統(tǒng)最大充電電流1A

3 GUI 可設(shè)定1~4節(jié)電池

4 具備有NTC 溫度偵測(cè)預(yù)防充電過(guò)程電池過(guò)熱爆炸