一種混合信號通用電池充電器設(shè)計.

1、一種混合信號通用電池充電器設(shè)計本文主要討論兩種最常見的化學(xué)電池：鋰離子電池和鎳氫電池。通過本文的討 論，能夠設(shè)計出一種混合信號通用電池充電器，這種充電器可對這兩種電池進(jìn) 行充電。電池充電的系統(tǒng)考慮要快速可靠地完成電池充電，需要高性能的充電 系統(tǒng)。以下系統(tǒng)參數(shù)是設(shè)計經(jīng)濟(jì)可靠的解決方案所必須考慮的。輸入源許多應(yīng) 用都采用廉價的墻式適配器作為輸入電源，這種適配器的輸出電壓高度依賴于 變化較大的交流輸入電壓以及適配器負(fù)載電流。通過汽車適配器充電本文主要討論兩種最常見的化學(xué)電池：鋰離子電池和鎳氫電池。通過本文的討 論，能夠設(shè)計出一種混合信號通用電池充電器，這種充電器可對這兩種電池進(jìn) 行充電。電池充電的系

2、統(tǒng)考慮要快速可靠地完成電池充電，需要高性能的充電系統(tǒng)。以下系統(tǒng)參數(shù)是設(shè)計經(jīng) 濟(jì)可靠的解決方案所必須考慮的。輸入源許多應(yīng)用都采用廉價的墻式適配器作為輸入電源，這種適配器的輸出電壓高度 依賴于變化較大的交流輸入電壓以及適配器負(fù)載電流。通過汽車適配器充電也 面臨同樣的問題。汽車適配器的輸出電壓范圍通常為9V18V。輸出電壓穩(wěn)壓精度對于鋰離子電池，為使電池容量的利用率達(dá)到最大，輸出電壓穩(wěn)壓精度至關(guān)重 要。輸出電壓精度的微小降低都會導(dǎo)致電池容量大幅度減少。當(dāng)然，出于安全 以及可靠性方面的考慮，輸出電壓并不能無限度提高。圖1示意了輸出電壓穩(wěn) 壓精度的重要性。充電結(jié)束方法無論是鋰離子電池還是鎳氫電池，過充都

3、是致命的弱點。對于安全可靠的充電 系統(tǒng)來說，精確的充電結(jié)束方法是非常關(guān)鍵的。電池溫度監(jiān)控可充電電池的充電溫度范圍通常在0C45C之間，溫度超出此范圍時，對電池進(jìn)行充電會導(dǎo)致電池過熱。在充電過程中，電池內(nèi)部的壓力升高，因此，電 池會膨脹，電池內(nèi)部的高溫和高壓會導(dǎo)致電池機械開裂甚至爆炸，或者出現(xiàn)泄 露。在0C45C溫度范圍之外對電池進(jìn)行充電會損害電池性能，或者縮短其 預(yù)期壽命。電池放電電流或反向漏電流在許多應(yīng)用中，即使輸入電源斷開，充電系統(tǒng)仍然與電池相連，因此，充電系 統(tǒng)必須保證此時電池的漏電流盡可能小。允許的最大漏電流應(yīng)當(dāng)小于幾個mA比較理想的情況是低于1mA圖1電池容量損失與充電電壓不足的關(guān)系

4、電池充電器設(shè)計考慮到前面的系統(tǒng)因素，可以開發(fā)出合適的充電管理系統(tǒng)。線性解決方案當(dāng)輸入源穩(wěn)壓良好時，可以采用線性充電解決方案。Microchip的MCP738xx線性電池充電器系列就是一個線性充電解決方案的例子。在這些應(yīng)用中，線性解 決方案提供了諸多優(yōu)點，如易于使用、尺寸小以及低成本。開關(guān)式充電解決方案對于輸入電壓范圍較寬的情況，如無穩(wěn)壓的AC-DC墻式適配器或汽車DC輸入， 開關(guān)式穩(wěn)壓器可以將電池充電器內(nèi)部的功率損耗降到合理的水平。選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)式穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了穩(wěn)壓器開關(guān)和無源濾波元件的構(gòu)成。這種構(gòu)成的 差異隨拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇而變化，從而要在復(fù)雜性、效率、噪聲以及輸出電壓范 圍之間權(quán)衡。

5、電源轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，但只有幾種適用于5W50W圍的電池充電器。降壓穩(wěn)壓器降壓穩(wěn)壓器是電池充電應(yīng)用的一種常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。降壓穩(wěn)壓器具有以下優(yōu)點和 缺點：優(yōu)點：1.復(fù)雜性低、單電感結(jié)構(gòu)。2.對于同步應(yīng)用，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%缺點：1.降壓穩(wěn)壓器MOSFE開關(guān)集成的二極管在沒有輸入電壓時會構(gòu)成一個 電池放電通路。因此需要一個額外的阻斷二極管，增加額外器件的同時也導(dǎo)致 系統(tǒng)中出現(xiàn)額外的壓降。2.降壓穩(wěn)壓器的輸入電流是脈沖式或間歇的。這種拓 撲結(jié)構(gòu)在電源的輸入端產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)。大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器都需要額外的輸入EMI濾波。3.降壓穩(wěn)壓器只能對比輸入電壓低的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。 有些應(yīng)用的輸入

6、電壓范圍寬，覆蓋到必需的輸出電壓范圍。對于對多節(jié)鋰離子 電池單元組成的電池組進(jìn)行充電的應(yīng)用來說，這種情況很常見。4.發(fā)生降壓開 關(guān)短路故障時，輸入至電池之間短路。對于不具備電池內(nèi)部保護(hù)的鎳氫電池， 就會引發(fā)安全問題。5.降壓穩(wěn)壓器需要高端驅(qū)動（對N通道MOSFE開關(guān)），與 低端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這會帶來更大的復(fù)雜性。6脈寬調(diào)制（PWM控制器應(yīng)用中的外部開關(guān)電流檢測比較復(fù)雜。對于電池短路或負(fù)載短路等故障模式來說，限 制開關(guān)電流非常重要，沒有高速開關(guān)電流限制能力，電池充電器在發(fā)生短路時 會被損壞。SEPIC（單端初級電感）穩(wěn)壓器SEPIC穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電池充電應(yīng)用中也比較普遍。與降壓穩(wěn)壓器和其它

7、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，SEPIC穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點，當(dāng)然也有一些缺點。優(yōu)點：1.阻斷二極管內(nèi)建于電池系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，因此，不需要額外的元 件，也不會導(dǎo)致額外的損失。2.與降壓穩(wěn)壓器的脈沖式輸入電流相比，從電源 汲取的輸入電流是連續(xù)的（平滑的）。3.輸入至輸出是隔離的， 因此在開關(guān)短路 時可以保護(hù)負(fù)載或電池。4. SEPIC穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有升壓或降壓能力。5. SEPIC開關(guān)是低端驅(qū)動結(jié)構(gòu)，簡化了柵極驅(qū)動以及開關(guān)中的電流檢測。6.次級側(cè)電感平均電流等于電池電流，因此檢測電流不需要在電池低端串聯(lián)電阻。缺點：1.需要兩個電感或一個耦合電感。2.需要一個耦合電容，對于大功率（50W），或高電壓（VI

8、N 100V）應(yīng)用，成本較高。開關(guān)式電池充電器設(shè)計 通過將設(shè)計劃分為兩部分， 可以開發(fā)出經(jīng)濟(jì)的智能電池充電器系統(tǒng)。電池充電 器實質(zhì)上是混合信號系統(tǒng)。例如，電源部分（本例中即SEPIC穩(wěn)壓器）是模擬的。電源以高頻開/關(guān)，需要某種模擬驅(qū)動電路。另一方面，充電結(jié)束定時器、 故障管理以及開/關(guān)控制一般是數(shù)字化控制的，需要定時器和可編程能力。電池充電器技術(shù)參數(shù)輸入電壓：6V20V輸出電壓：0V4.2V（單節(jié)電池），0V8.4V（兩節(jié)電池）預(yù)充電流：200 mA預(yù)充閾值：3V恒流充電：2A充電 結(jié)束閾值：100 mA（觸發(fā)充電周期結(jié)束的電流值）特性：過壓保護(hù)（電池移除）過流保護(hù)（電池或負(fù)載短路）檢測電池溫

9、度：保證充電安全策略和方法 對混合信號的設(shè)計采用分兩部分的方式，首先選擇單片機，用于讀取電池組狀態(tài)（電壓和溫度），并對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。然后，再選擇內(nèi)置MOSFE驅(qū)動器的高速模擬PWM控制器（如MCP1630）組成“模擬”可編程電流源。設(shè)計SEPIC可編程電流源 與所有開關(guān)式穩(wěn)壓器設(shè)計一樣，輸出是通過改變占空比，或開關(guān)導(dǎo)通時間的比例（Q1,見圖2）來控制的。為穩(wěn)定流入電池的電流，必須檢測充電電流。如圖2所示，電流檢測元件并沒有與電池串聯(lián)。SEPIC穩(wěn)壓器次級繞組Ls承載平均輸出電流。初級繞組Lp承載平均輸入電流。次級電阻Rs用來檢測電

10、池充電電 流。高速模擬PWM考輸入則決定電池充電電流。圖2混合信號電池充電器框圖 混合信號設(shè)計利用MCP163作為模擬PWM口驅(qū)動器，可以獲得一個可編程的SEPIC電流源。PWM口驅(qū)動器提供模擬穩(wěn)流功能、MOSFE柵極驅(qū)動以及高速過流保護(hù)。PIC12F683單片機設(shè)定SEPIC電源開關(guān)頻率（500 kHz）并編程設(shè)定SEPIC恒定輸 出電流。PWM口驅(qū)動器利用單片機中的硬件PW來設(shè)定SEPIC開關(guān)頻率和最大 占空比。硬件PWM率等于SEPIC電源開關(guān)頻率，同時，硬件PWM占空比確定 了最大SEPIC電源占空比。單片機的硬件PWM&出500 kHz，25%占空比的脈沖 將SEPIC開關(guān)頻

11、率設(shè)定為500 kHz，最大占空比75%標(biāo)準(zhǔn)單片機I/O引腳利用 簡單的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 PWI#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)動器能夠以大于500 kHz的頻率驅(qū)動MOSFET同時利用一個內(nèi)部高速（典型值為12ns）比較器來監(jiān)測SEPIC開關(guān)電流。如果開 關(guān)電流太大，PW占空比就會為0,從而限制電池電流。最后，充電電流

12、還將根據(jù)來自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，單片機的ADCS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。這一過程的電池電壓變化速率遠(yuǎn)快于恒流充電時的速率。 對于鋰離子電池，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，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。對鎳氫電池，快速充電階段結(jié)束時，需要滿足下 面一個條件或同時滿足兩個條件：電池電壓保持恒定或隨著時間下降，或者電 池組溫度高于預(yù)定值?？焖俪潆娊Y(jié)束后，就開始進(jìn)行定時涓流浮充。ADC俞入和電池組熱電偶相配合可以檢測電池溫度。通過讀出“TEMP_SENSE俞入端的 電壓，可以確定電池溫度。當(dāng)檢測到電池電壓太高時，PIC12F683中斷代碼可 以提供過壓保護(hù)（OV）。SEPIC轉(zhuǎn)換器在不到1ms的時間內(nèi)關(guān)斷，在電池端接端 造成的電壓過沖最小。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一個通道，此時的電流大小通常不到5 mA?？蛇x的特性此外，結(jié)合一個單片機和多個高速模擬PWM模塊還可以增加更多功能，例如針 對多組電池充電應(yīng)用的充電器組，異相開關(guān)技術(shù)以及俞入電源預(yù)算功能。結(jié)語 在開發(fā)電池充電器時