用帶2KB閃存的80C51基微控制器設(shè)計(jì)離線鋰離子電池充電器

工程師可以采用恰當(dāng)組合外設(shè)和閃存的合適8位微控制器來設(shè)計(jì)離線鋰離子電池充電器，這是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的選擇。 集成2KB閃存和合適外設(shè)的80C51基微控制器所提供的解決方案并不昂貴。集成的閃存還能簡(jiǎn)便有效地調(diào)試應(yīng)用碼，如果必要的話，還可現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)軟件。
由于設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛接受并熟悉了80C51，軟件/硬件開發(fā)便可以加快進(jìn)行。這一方法的另一優(yōu)勢(shì)在于，眾多廠商提供了一系列強(qiáng)大而經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用開發(fā)工具?？紤]到成本、設(shè)計(jì)效率和安全的電池充電的重要性，基于微控制器的解決方案的諸多優(yōu)勢(shì)便不言而喻。 

外設(shè)集成
離線鋰離子電池充電器設(shè)計(jì)的益處體現(xiàn)在2個(gè)方面。微控制器集成了一個(gè)內(nèi)部振蕩器，節(jié)省了外部振蕩器的器件成本及其PC主板的封裝形式；內(nèi)部振蕩器改進(jìn)了系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。
4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器是設(shè)計(jì)工程師應(yīng)集成到芯片上的另一個(gè)頗具價(jià)值的外設(shè)。 它不僅能節(jié)省外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器成本，還能用于監(jiān)測(cè)充電電壓、電流及電池溫度，這些都是安全電池充電操作的重要參數(shù)。
本文介紹的用于設(shè)計(jì)的微控制器－飛利浦半導(dǎo)體的P89LPC916 － 不僅集成了這些功能， 同時(shí)包含高性能的處理器架構(gòu)，能在2個(gè)時(shí)鐘中執(zhí)行指令，這樣可以將性能提高至標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍。定時(shí)器0很容易配置，用于脈寬調(diào)制（PWM）輸出，使裝配和使用PWM功能變得簡(jiǎn)單。

電池充電的基本原理
該設(shè)計(jì)方案是專門針對(duì)放電電壓為3.6 V、電壓極限為4.2 V、額定容量為700-750mAh的鋰離子電池的充電方案。
充電分為3個(gè)階段：預(yù)充階段、恒流充電階段和恒壓充電階段。
如果電池的電荷很低，只能產(chǎn)生很低的輸出電壓，預(yù)充階段則必不可少。這種情況下，必須采用低電流充電，以保護(hù)電池。如果電池已經(jīng)可以產(chǎn)生很高的電壓（大于3V），就可以安全地省略預(yù)充階段。當(dāng)然，大多數(shù)情況都是如此。
能量大多數(shù)是在恒流充電階段和恒壓充電階段由充電器流入電池的。特定電池允許的最大充電電流由電池的額定容量決定。例如，額定容量為700mAh的電池，可以使用350mA到400mA的電流進(jìn)行快速充電。
就鋰離子電池而言，微控制器必須維持電池的默認(rèn)充電電壓，同時(shí)還要監(jiān)測(cè)充電電流，以確定電池何時(shí)充滿，結(jié)束充電。
溫度監(jiān)測(cè)可以保證安全的充電流程，因?yàn)橹灰姵剡_(dá)到充滿狀態(tài)，所有多余的電能都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。盡管微控制器必須在原有性能之上增加溫度監(jiān)測(cè)功能，然而目前市場(chǎng)上大多數(shù)鋰離子電池都已經(jīng)具備了過充保護(hù)功能，因此，溫度監(jiān)測(cè)盡管必不可少，卻很少應(yīng)用。

降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)具有錐形中止功能的充電器最經(jīng)濟(jì)有效的方法是，采用降壓轉(zhuǎn)換器作為開關(guān)穩(wěn)壓器。降壓轉(zhuǎn)換器采用電感器存儲(chǔ)電能。圖1a和圖1b是開關(guān)閉合和斷開時(shí)降壓轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行情況。
圖1a  開關(guān)閉合時(shí)的降壓轉(zhuǎn)換器
圖1b  開關(guān)斷開時(shí)的降壓轉(zhuǎn)換器
PWM輸出的信號(hào)控制著充電開關(guān)。開關(guān)閉合時(shí)（如圖1a所示），充電器（Charger Vin）提供的電壓迫使電流流經(jīng)電路。電容器通過電感器進(jìn)行充電。
開關(guān)斷開時(shí)（如圖1b所示），電感器試圖感應(yīng)電壓以保持電流流動(dòng)， 但不能立即發(fā)生變化。然后，電流流經(jīng)肖特基二極管，為電容器充電。該周期能自動(dòng)重復(fù)。
開關(guān)閉合時(shí)間被PWM的工作周期縮短時(shí)，平均電壓下降；反之， 開關(guān)斷開時(shí)間被PWM的工作周期延長(zhǎng)時(shí)，平均電壓則上升。因此，控制PWM的工作周期能使微控制器調(diào)節(jié)充電電壓（或電流），達(dá)到滿意的輸出值。
必須注意所關(guān)采用的電感器和電容器。
電感器
顯而易見，降壓轉(zhuǎn)換器的電感器的大小是達(dá)到合適的充電電壓和電流的關(guān)鍵因素。 電感器的大小也隱含成本因素。電感器大小可以通過下列方程式進(jìn)行計(jì)算：
L = ( Vi - Vsat - Vo) * ( T * DutyCycle) / 2Io     （1）
其中Vi：充電器帶給開關(guān)的電壓；Vsat：開關(guān)閉合時(shí)開關(guān)的電壓損耗；Vo：電壓輸出；T：PWM的周期；DutyCycle：PWM的工作周期；Io：電流輸出（例如，恒流充電階段） 。
如方程式1 所示， PWM轉(zhuǎn)換頻率越高（即轉(zhuǎn)換周期T越?。?，所需電感器越小，器件成本隨之降低。
電容器
必須注意的是，該電路中的電容器僅僅是一個(gè)脈動(dòng)電流減壓器，越大越好，因?yàn)槊}動(dòng)和電容器的值成反比。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)
該解決方案是基于飛利浦的P89LPC916。整體設(shè)計(jì)策略是，首先采用恒流充電，然后采用恒壓充電，以達(dá)到最快充電。微控制器還可控制顯示工作狀態(tài)的發(fā)光二極管。
精確供電
LPC916的VDD需要精確供壓，因?yàn)樵撾妷菏菙?shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)。低壓降（LDO）調(diào)節(jié)器是該功能的最佳選擇，采用 3終端LDO LM1117為VDD精確提供3.31V的電壓。
PWM輸出方案
定時(shí)器0的單信道是用來產(chǎn)生控制降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)的PWM信號(hào)的。由于LPC916 自身包含片上RC振蕩器，充電更加穩(wěn)定有效，尤其是在電壓控制運(yùn)行模式下。所需PWM頻率僅為約14 kHz，正好在片上振蕩器的范圍之內(nèi)?？梢愿淖兘祲恨D(zhuǎn)換器的工作時(shí)間，以調(diào)整PWM的工作周期。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電池充電器系統(tǒng)如圖2所示。PWM輸出控制著充電開關(guān)，其工作周期根據(jù)充電電壓與充電電流的反饋進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。LPC916 片上高速的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠非常精確地監(jiān)測(cè)充電電壓。鋰離子電池應(yīng)用中，避免過充相當(dāng)重要，因?yàn)閷⒊潆娏靠刂圃谧畲蠓秶鷥?nèi)可以延長(zhǎng)電池的壽命。
圖2  LPC916 控制的鋰離子電池充電器解決方案
表 1所示是電路的輸入/輸出規(guī)格。
表1  輸入/輸出規(guī)格
輸入規(guī)格
輸出規(guī)格
輸入電壓
5.1VDC
輸出電壓- Vout
(恒壓充電時(shí))
4.23VDC ( 1%

輸入電壓范圍
最小值：  5.0V
最大值：  5.5V
輸出電壓范圍
最小值：0 V
最大值：4.27 V
輸入電流
500 mA
輸出電流
(恒流充電時(shí))
350 mA ( 10%

輸入電流極限
最小值： 400mA
輸出電流范圍
最小值：0mA
最大值：385 mA
輸入脈動(dòng)
最大值： 50Vpp
輸出脈動(dòng)
最大值：50mVpp
下一步根據(jù)(1)式計(jì)算電感值。假定Vi為5.1V ，所需輸出電壓Vsat 為0.5 V （Io = 350 mA時(shí)），就可以計(jì)算出電感值。此外，Vo 為4.25V；所需輸出電流Io 為350mA；1/T 為14.7kHz；所需工作周期為50%。將這些數(shù)值輸入公式（1），所得到的結(jié)果會(huì)大于或等于10 _H 。此外，所得數(shù)值的建議值為33 10 _H。盡管輸入電壓可以高于5.1V，電路也可能正常運(yùn)行，但是高電壓要求采用頻率更高的PWM或更大的電感器，這樣會(huì)造成器件成本壓力。
電池充電方法
鋰離子電池充電分3個(gè)階段完成：電池電壓低于3V時(shí) ，需要進(jìn)行預(yù)充電，充電電流需保持在65 mA。如果電池電壓上升為3V ( 1%，需要進(jìn)行快速充電，恒定充電電流應(yīng)保持在350 mA 。電流可以通過調(diào)節(jié)控制脈沖維持恒定。 當(dāng)電池電壓達(dá)到4V ( 1% 時(shí)，轉(zhuǎn)而進(jìn)行恒壓充電。此時(shí)電壓需保持在4.23V，充電器對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
進(jìn)入恒壓充電階段后，還將繼續(xù)充電50分鐘，電流應(yīng)不高于30mA。雖然計(jì)時(shí)器控制著充電時(shí)間，但監(jiān)測(cè)充電終止有三種方式：探測(cè)充電電流、使用計(jì)時(shí)器以及監(jiān)測(cè)溫度（可選）。
充電過程如圖3所示。充電階段轉(zhuǎn)換的精確值如下：
* 預(yù)充階段（如果必要）
如果 Vbat < 3.0 ( 1% ,  Iout 應(yīng)為Ireg的10%，為65mA
* 快速充電階段（恒流充電）
如果Vbat <= 4.00 ( 1% V，Iout應(yīng)等于Ireg，為350mA
* 快速充電階段（恒壓充電）
如果Vbat > 4.00 ( 1% V，且Ibat >= 60 mA，Vout應(yīng)等于Vreg，為4.23V
* 計(jì)時(shí)器控制充電階段（恒壓充電）
如果Ibat < 60 mA，50分鐘內(nèi)，Vout應(yīng)等于Vreg，為4.23V，以確保電池充分充電，同時(shí)將充電電流維持在30mA之內(nèi)。
四個(gè)小時(shí)后，充電完成。
圖 3  恒流與恒壓充電階段
狀態(tài)指示燈
考慮到終端用戶的需求，該設(shè)計(jì)還包含一個(gè)發(fā)光二極管狀態(tài)指示燈，用以提供充電狀態(tài)信息。表2所示是各種具體狀態(tài)。
表2  狀態(tài)指示燈
發(fā)光二極管可視信號(hào)
狀態(tài)報(bào)告
紅色發(fā)光二極管低頻率閃動(dòng)
接通電源，電池充電
紅燈發(fā)光穩(wěn)定
充電完成
紅色發(fā)光二極管高頻率閃動(dòng)
電池不在插座中
紅色發(fā)光二極管高頻率閃動(dòng)
電池短路，充電器自動(dòng)斷電
紅色發(fā)光二極管高頻率閃動(dòng)
電池突然從插座中拔出；電池重新插入插座15秒后恢復(fù)充電
測(cè)試
圖4所示電路圖可以在充電過程中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試?？梢圆捎脙蓚€(gè)萬用表，電壓讀數(shù)分別以Vout 和Vsense_res表示。
Vout = Vbat + Vsense_res
充電電流可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：Iout = Vsense res/0.75。
充電開始時(shí)，每隔15秒就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次記錄，當(dāng)充電電流與充電電壓趨于穩(wěn)定時(shí)，記錄周期會(huì)延長(zhǎng)為5分鐘一次。
圖4  測(cè)試電路
由于各種電池的化學(xué)屬性各異，測(cè)試結(jié)果也會(huì)有所不同；此外，電池的原始電壓也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。然而，如圖5和圖6 所示，達(dá)到了技術(shù)規(guī)范的要求。
圖5  輸出電壓測(cè)試結(jié)果
圖6  輸出電流測(cè)試結(jié)果

結(jié)語(yǔ)
如今，充電電池越來越普遍地用于家庭和工作場(chǎng)合。設(shè)計(jì)高效、經(jīng)濟(jì)、可靠的電池充電器，可以通過多種途徑完成。然而，采用諸如飛利浦的P89LPC916之類帶閃存微控制器能夠縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低成本，生產(chǎn)出安全可靠的產(chǎn)品，幫助設(shè)計(jì)人員輕而易舉地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。