利用MCU設(shè)計(jì)離線鋰電池充電器

來自PWM的信號(hào)控制充電開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)(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(shí)電容通過電感充電。

當(dāng)開關(guān)打開時(shí)(如1b所示)，電感試圖通過感應(yīng)電壓來保持電流流動(dòng)，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(huán)往復(fù)。

當(dāng)通過減少PWM占空比來縮短開關(guān)“通”時(shí)間時(shí)，平均電壓減少。相反，當(dāng)通過增加PWM占空比來延長開關(guān)“斷”時(shí)間時(shí)，平均電壓增加。故通過控制PWM占空比來使MCU調(diào)整充電電壓(或電流)可達(dá)到所需的輸出值。

在討論設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以前，需先討論與電感及電容有關(guān)的兩個(gè)要點(diǎn)：

1．電感大小

不難看出，確定降壓轉(zhuǎn)換器電感的大小是達(dá)到合適充電電壓及電流的關(guān)鍵。電感大小也與成本有關(guān)。電感容量可用公式1來計(jì)算：

公式1

其中：Vi：輸入至開關(guān)的充電器電壓；

圖5：輸出電壓測(cè)試結(jié)果
　

Vsat：開關(guān)“通”時(shí)開關(guān)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(guān)頻率越高(亦即開關(guān)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?yàn)榧y波與電容值成反比。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本設(shè)計(jì)基于飛利浦P89LPC916型MCU，其整體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)盡可能快的充電。MCU還控制用于指示充電器工作狀態(tài)的LED。

1．精密電源
　

圖6：輸出電流測(cè)試結(jié)果

VDD需采用精密電壓源，因?yàn)榇穗妷罕挥米鱀A-DA轉(zhuǎn)換器的電壓參考。低壓降(LDO)調(diào)整器為該電壓源的最佳選擇，且本設(shè)計(jì)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(shí)器0)的一個(gè)通道用來產(chǎn)生控制降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)的PWM信號(hào)。由于LPC916帶有其自己的片上RC振蕩器，故充電更加穩(wěn)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(nèi)。可通過改變降壓轉(zhuǎn)換器的“開”時(shí)間來調(diào)整PWM占空比。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為鋰電池充電器系統(tǒng)組成框圖。其中PWM輸出控制充電開關(guān)，且其占空比可根據(jù)需要用充電電壓及電流的反饋來調(diào)整。LPC916的8位片上高速A/D轉(zhuǎn)換器提供了監(jiān)視充電電壓所需的高精度。避免鋰離子應(yīng)用中的過充電非常重要，因?yàn)閷⒊潆姳３衷谄渥畲笾狄詢?nèi)可延長電池的使用壽命。表1為該電路的輸入/輸出參數(shù)規(guī)格。
　

表1：圖2電路的輸入、輸出參數(shù)規(guī)格
　

下一步是計(jì)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(guān)系。電感值可通過假設(shè)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(jì)算)。采用以上這些值，用公式1可計(jì)算出電感值不小于10μH。在本設(shè)計(jì)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(yīng)以三個(gè)獨(dú)立的階段來充電。如果電池電壓低于3V，則需要有預(yù)充電階段且充電電流應(yīng)保持為65mA。一旦電池電壓達(dá)到3V+-1%，即開始進(jìn)入快速充電階段，并采用350mA的恒定充電電流。通過調(diào)整控制脈沖可使充電電流保持恒定。當(dāng)電池電壓達(dá)到4V+-1%時(shí)，即開始接恒定電壓充電階段。此時(shí)電壓被保持在4.23V，充電電流處于監(jiān)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(shí)保持充電電流小于30mA。充電時(shí)間可用一個(gè)計(jì)時(shí)器來控制，但監(jiān)視充電終結(jié)的方法有三種：檢測(cè)充電電流、使用計(jì)時(shí)器以及監(jiān)視溫度(可選)。

充電過程如圖3所示。從一個(gè)階段進(jìn)入到另一個(gè)階段的準(zhǔn)確標(biāo)志如下：

預(yù)充電階段(當(dāng)需要時(shí))：如果Vbat3.0(1%，則設(shè)置Iout=10%；Ireg=65mA；快速充電階段(恒定電流充電)：當(dāng)Vbat=4.00+-1%V時(shí)，設(shè)置Iout=Ireg=350mA；計(jì)時(shí)器控制充電階段(恒定電壓充電)：當(dāng)Ibat60mA時(shí)，設(shè)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(shí)內(nèi)完成。

考慮到最終用戶，設(shè)計(jì)中采用了LED狀態(tài)指示燈，以提供有關(guān)充電序列狀態(tài)的信息。

設(shè)計(jì)方案的測(cè)試

可用來在充電過程中測(cè)試該設(shè)計(jì)的電路框圖如圖4所示。用兩塊萬用表來測(cè)量Vout及Vsense_res讀數(shù)。

Vout=Vbat+Vsense_res，充電電流可用公式Iout=Vsense res/0.75來計(jì)算。

當(dāng)充電開始時(shí)，每15秒記錄一次數(shù)據(jù)，但當(dāng)電流及電壓穩(wěn)定后，記錄周期可縮短為每5秒記錄一次。

結(jié)果可能會(huì)隨不同電池的化學(xué)特征而變化，而且電池的起始電壓也對(duì)結(jié)果有影響。圖5及圖6顯示該設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)。