采用混合信號方法的電池充電器的設計

隨著電池供電的電子設備的應用范圍越來越廣，功能越來越強大，對具有良好適用性的電池充電器設計的需求也應運而生。如果只采用標準元件，電池充電器設計可以變得更靈活、更具有成本效益。但采用混合信號設計，將便于在系統(tǒng)中增加新的功能，同時也使在系統(tǒng)中增加差異化特性成為可能。

品種繁多的各種化學電池被廣泛用于可再充電便攜式應用中，包括鋰離子電池(Li-ion)、鎳氫電池(NiMH)、鎳鎘電池(NiCd)和鉛酸電池。在所有電池類型中，鋰離子電池的能量密度最高，從而成為所有可再充電電池中最便于攜帶的電池。鎳氫電池因為具有良好的安全性和環(huán)保性能，其應用也很普及。設計一個可以為這兩種化學電池充電的混合信號通用型電池充電器是有可能的。

充電或放電速率與電池容量有關。充電速率(即C倍率)即為充電或放電電流，定義為I=M ×CN。其中，I為充電或放電電流(安培)，M為C的整數(shù)倍或分數(shù)倍，C為額定容量的數(shù)值(安培小時)，N為定義C的時間(小時)。

一個放電速率為1C的電池會在1個小時內(nèi)放完其標稱額定容量。例如，如果額定容量為1000 mAh，放電速率為1C，則相應的放電電流為1000mA。類似地，如果放電速率為0.1C，則相應的放電電流為100mA。

圖1：鋰離子電池需要恒定或者受控的充電電流算法和恒壓充電算法。

首選的充電技術

鋰離子化學電池采用恒定或受控制的電流和恒壓充電算法，分成涓流充電、恒流充電、恒壓充電和充電終止4個階段(圖1)。鎳氫電池的首選充電算法由涓流充電、恒流充電、top-off充電和充電終止組成(圖2)。

第1階段：涓流充電。涓流充電為深度耗竭的電池恢復電荷。對于鋰離子電池，當電池電壓在大約3V以下時，電池就會以最大0.1C的恒定電流充電。對于鎳氫電池，當每個電池的電壓低于0.9V時便進入涓流充電狀態(tài)。

第2階段：恒流充電。對于鋰離子電池和鎳氫電池，當電池電壓超過涓流充電閾值后，充電電流增加，進入恒流充電狀態(tài)。恒流充電電流應在0.1C到0.2C的范圍內(nèi)。

第3階段：恒壓充電。此過程僅適用于鋰離子電池。當電池電壓上升到4.2V時，恒流充電結(jié)束并進入開始恒壓充電狀態(tài)。為獲得最佳性能，電壓調(diào)節(jié)容差應小于1%。

第4階段：充電終止。不建議對鋰離子電池繼續(xù)進行涓流充電，而最好選擇充電終止。對于鎳氫電池，一定時間的涓流充電可確保達到100%的電池容量利用率。當一定時間的top-off加足充電過程完成后，就需要終止充電。

對于鋰離子電池，最小充電電流、定時器或者這兩者的組合是終止充電過程的典型方法。最小充電電流方法可在恒壓充電階段監(jiān)視充電電流，當充電電流減小到0.02C到0.07C的范圍時，便終止充電過程。定時器方法在恒壓充電開始時計時，連續(xù)充電兩小時后終止充電。以這種方式充電，可以在大約2.5小時到3小時內(nèi)給一個深度耗竭的電池充足電能。

高級充電器還具有一些附加的安全功能，例如許多高級充電器在電池溫度低于0°C或高于45°C時便會停止充電。

鎳氫電池是根據(jù)電池包的-dV/dt讀數(shù)、+dT/dt(溫度隨時間的變化率)讀數(shù)或兩者的結(jié)合來終止充電過程的。在這種情況下，溫度感應既是一個可行的安全預防措施，也是一個終止充電過程的方法。

圖2：鎳氫電池的首選算法由涓流充電、恒流充電、top-off充電和充電終止四個階段組成。

系統(tǒng)考慮因素

輸入電源：許多應用使用非常便宜的墻上電源插座作為輸入電源。其輸出電壓極大地取決于寬范圍的交流輸入電壓以及從墻上電源汲取的負載電流。通過汽車電源適配器充電的許多應用也可能會遇到同樣的問題。汽車電源適配器的輸出電壓范圍一般為9V~18V。

輸出電壓調(diào)節(jié)精度：對鋰離子電池而言，輸出電壓調(diào)節(jié)精度對實現(xiàn)電池容量利用率最大化非常關鍵。輸出電壓調(diào)節(jié)精度稍微降低一點，電池容量就會下降很多(圖3)。但是，出于安全和可靠性考慮，不能設置一個任意高的輸出電壓。

充電終止的方法：過充是鋰離子電池和鎳氫電池致命的弱點。精確的充電終止方法對安全可靠的充電系統(tǒng)是必不可少的。

電池溫度監(jiān)視：可再充電電池的典型溫度范圍為0°C~45°C。在這個溫度范圍之外的溫度下充電可能導致電池過熱。在充電周期內(nèi)，電池內(nèi)部的壓力會增加，從而引起電池膨脹。由于溫度和壓力是直接相關的，所以電池內(nèi)部高壓和高溫的綜合作用會導致電池發(fā)生機械性破裂或漏液。在0°C至45°C的溫度范圍之外進行充電也可能損壞電池的性能，或者縮短電池壽命。

“電池放電電流”或“反向漏電流”：在許多應用中，即使沒有輸入功率，充電系統(tǒng)仍然與電池保持連接。當沒有輸入功率時，充電系統(tǒng)可讓電池的電流消耗減至最少。最大的電流消耗應小于幾微安，理想情況下應小于1μA。

圖3：容量損失與充電電壓下降的關系表明，輸出電壓精度稍微下降就會引起電池容量的大幅降低。

電池充電器的設計

理解了這些系統(tǒng)設計考慮因素之后，我們就可以開發(fā)出適當?shù)某潆姽芾硐到y(tǒng)。例如，如果能獲得經(jīng)過精確調(diào)節(jié)的輸入電源，就可以采用線性充電方案。在這些應用中，線性充電方案在易于使用、尺寸和成本方面的具有優(yōu)勢。

對于寬電壓范圍的輸入電源來說，比如未經(jīng)調(diào)節(jié)的AC/DC墻上電源或汽車直流輸入電源，使用開關調(diào)節(jié)器可以將內(nèi)部的電池充電器功率消耗降低到一個可以接受的水平。開關調(diào)節(jié)器拓樸定義了調(diào)節(jié)器開關和無源濾波元件的組成。組成上的差異可以區(qū)分不同的拓樸，從而在復雜性、效率、噪聲和輸出電壓范圍之間進行折衷。轉(zhuǎn)換器的拓樸有很多種，但適用5W~50W范圍的電池充電器的拓樸卻不多。

降壓型調(diào)節(jié)器是電池充電應用普遍采用的一種拓樸。降壓型調(diào)節(jié)器輸入電流是脈沖電流或“不連續(xù)的電流”(見圖4b)。這個拓樸方案會在電源的輸入端產(chǎn)生很高的電磁干擾(EMI)，因此，大部分降壓型調(diào)節(jié)器都需要額外進行輸入EMI濾波。

降壓型調(diào)節(jié)器只能調(diào)節(jié)低于輸入電壓的輸出電壓。但某些應用的輸入電壓范圍很寬，可以超過輸出電壓的范圍，這在多節(jié)鋰離子電池的充電器應用中更為常見。

單故障模式(降壓開關短路)將造成輸入與電池之間的短路。這對缺乏內(nèi)部電池保護的鎳氫電池來說，會帶來安全問題。降壓型調(diào)節(jié)器需要一個用于驅(qū)動N通道MOSFET開關的高端驅(qū)動電路，這比低端拓樸更復雜。

在脈寬調(diào)制(PWM)控制器應用中，外部開關電流的感應非常復雜。限制開關電流對電池短路或負載短路等故障模式很重要，如果限制高速開關電流，那么短路時電池充電器就會燒毀。

單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)也是普遍應用在電池充電器件中的一種拓樸。與降壓型調(diào)節(jié)器和其它調(diào)節(jié)器相比，SEPIC調(diào)節(jié)器具有很多優(yōu)點，盡管它們也有一些缺點。

為舉例說明這些基本概念，讓我們來分析一個具體的電池充電器設計。通過將這個設計分為兩部分，可以開發(fā)出一個用戶買得起的智能化電源系統(tǒng)。電池充電器本身就是一個混合信號系統(tǒng)。例如電源系統(tǒng)(在本例中即SEPIC調(diào)節(jié)器)就是模擬的。以很高的頻率打開和關閉電源開關需要某些類型的模擬驅(qū)動電路；另一方面，充電終止定時器、故障管理和開關控制一般都是具有定時器和可編程能力的數(shù)字功能。

在這個例子中，輸入電壓為6V ~20V；輸出電壓在一節(jié)電池時為0V~4.2V，兩節(jié)電池時為0V~8.4V；預調(diào)電流為200mA；預調(diào)閾值為3V；恒流充電電流為2A；充電終止閾值為100mA(完成充電時的電流)。

該系統(tǒng)具有如下特性：1)過壓保護(電池去除)；2)過流保護(電池或負載短路)；3)可感應電池溫度，以反映充電質(zhì)量；4)采用兩部分的方法實現(xiàn)混合信號設計。首先選擇一個可以讀取電池包狀態(tài)(電壓和溫度，以及對SEPIC調(diào)節(jié)器輸出電流進行編程)的微控制器，本例采用PIC12F683 8管腳閃存微控制器；然后增加一個像MCP1630這樣的帶內(nèi)置MOSFET驅(qū)動器的高速模擬PWM控制器，來開發(fā) “模擬”可編程電流源。

圖4：在電池充電設計中采用降壓型調(diào)節(jié)器拓樸(a)時，脈沖電流輸入(b)會產(chǎn)生大量電磁干擾(EMI)。

SEPIC可編程電流源的設計

與所有開關調(diào)節(jié)器設計一樣，輸出是通過改變占空比或開關導通時間百分比來控制的(圖6中的Q1)。為調(diào)節(jié)流入電池的電流，就必須充電電流進行感應。如圖6所示，在該電路中并沒有與電池串聯(lián)的感應元件。

在SEPIC調(diào)節(jié)器的次級繞組(LS)上具有平均輸出電流，在初級繞組(LP)具有平均輸入電流。次級電阻RSENSE感應電池充電電流，而高速模擬PWM基準輸入則對想要的電池充電電流進行編程。

從圖6可以看出，MCP1630模擬PWM控制器和驅(qū)動器形成了“可編程”的SEPIC電流源，PWM和驅(qū)動器為模擬電流調(diào)節(jié)、MOSFET門驅(qū)動和高速過流保護提供電源，微控制器則設置SEPIC power-train的開關頻率(500kHz)，并對SEPIC恒流進行編程。

PWM及驅(qū)動器利用微控制器硬件PWM設置SEPIC開關頻率和最大占空比。硬件PWM的頻率等于SEPIC power-train的開關頻率。硬件PWM占空比則設置SEPIC power-train的最大占空比。

來自微控制器硬件PWM的占空比為25%、頻率為500kHz的脈沖將SEPIC開關頻率設為500kHz，最大占空比設為75%。利用簡單的RC濾波電路，一個標準微控制器的I/O管腳就可生成一個軟件可編程的基準電壓，這個可編程的基準電壓可以對恒流SEPIC轉(zhuǎn)換器的充電電流進行精確編程。

在非反相輸入端(VREF)，可編程基準電壓可以設置電池充電的電流量。MCP1630 PWM輸出占空比(VEXT)不斷調(diào)節(jié)，直到VREF輸入端電壓等于誤差放大器FB輸入端的電壓。通過調(diào)節(jié)VREF輸入端的電壓，電池充電電流也得到相應調(diào)節(jié)。

PWM及驅(qū)動器可以利用內(nèi)部的高速(典型值為12ns)比較器，在監(jiān)視SEPIC開關電流的同時，以高于500kHz的頻率驅(qū)動MOSFET。如果開關電流過大，PWM的工作周期將停止，以限制電池電流。最終，充電電流是根據(jù)從模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接收到的電池電壓、溫度等信息來進行調(diào)節(jié)。

為開發(fā)恒壓充電階段，微控制器ADC需讀取電池電壓，并更新可編程電流源(SEPIC)，以便將電池電壓維持在4.2V。這個過程比恒流充電時的電池電壓變化速度還要快。

圖5：與降壓型調(diào)節(jié)器方法相比，SEPIC調(diào)節(jié)器拓樸(a)從電源(b)汲取連續(xù)輸入電流，從而產(chǎn)生只很少EMI。

對于鋰離子電池應用，當電池電壓維持在固定4.2V時所需的電流，減少到電池C倍率的某個百分比值(100mA)時，充電周期便會終止。這是通過固件設置的，因此很容易根據(jù)不同電池制造商的推薦進行更改。在典型的模擬充電器中，這個終止充電電流是充電周期電流的百分比值，因此不容易改變。

對于鎳氫電池應用，當電池電壓保持不變或隨時間下降，或者電池包溫度上升超過預定值時，快速充電周期便會終止。當快速充電終止后，一個緩慢、定時的top-off充電過程便開始。ADC輸入和電池包熱敏電阻一起來感應電池溫度。通過讀取“TEMP_SENSE”輸入端的電壓，就可以確定電池溫度。

當電池電壓過高時，中斷PIC12F683代碼就會啟動過壓保護。SEPIC轉(zhuǎn)換器將在不到1μs的時間內(nèi)關斷，使電池端子上產(chǎn)生的過電壓最小。SEPIC轉(zhuǎn)換器二極管可以阻斷任何使電池放電電荷回到系統(tǒng)充電器的路徑，一般僅從電池電壓感應路徑汲取靜態(tài)電流。

這個充電器設計還有一些可選特性。例如，利用單個微處理器、多個高速模擬PWM模塊，以及異相開關技術和輸入功率預算特性，可以為多擴展塢(multi-bay)應用增加充電器擴展塢(charger bay)。因為這些固件可以校準鋰離子電池充電終止電壓和充電電流，所以可以增加系統(tǒng)的精確度。

圖6：基于PIC2F683微控制器和MCP1630模擬PWM控制器的SEPIC混合信號電池充電器。

通過采用混合信號方法來開發(fā)電池充電器，電池充電器設計可以充分利用模擬和數(shù)字領域的最佳技術優(yōu)勢?；旌闲盘柗椒梢詫崿F(xiàn)高頻工作(500kHz)和高速保護(12ns的輸出電流感應速度)的性能，并且可以將濾波元件的尺寸減到最小。另外，系統(tǒng)的數(shù)字化可編程功能也允許選擇適宜的充電階段并設置充電電流。

由于這些固件使對設置和電流進行編程變得更加容易，所以它們也增強了新的電池充電方法的優(yōu)勢。該方法也使混合信號設計具有相對其它設計的差異化特性。這種類型的設計不僅僅局限于鋰離子電池和鎳氫電池應用，它為在系統(tǒng)中引入未來的可再充電技術敞開了大門。