一種混合信號(hào)通用電池充電器設(shè)計(jì)
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
本文主要討論兩種最常見(jiàn)的化學(xué)電池：鋰離子電池和鎳氫電池。通過(guò)本文的討論，能夠設(shè)計(jì)出一種混合信號(hào)通用電池充電器，這種充電器可對(duì)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(jì)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(jià)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(lài)于變化較大的交流輸入電壓以及適配器負(fù)載電流。通過(guò)汽車(chē)適配器充電也面臨同樣的問(wèn)題。汽車(chē)適配器的輸出電壓范圍通常為9V"18V。
輸出電壓穩(wěn)壓精度
對(duì)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(huì)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(wú)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(wú)論是鋰離子電池還是鎳氫電池，過(guò)充都是致命的弱點(diǎn)。對(duì)于安全可靠的充電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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0°C"45°C之間，溫度超出此范圍時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行充電會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱。在充電過(guò)程中，電池內(nèi)部的壓力升高，因此，電池會(huì)膨脹，電池內(nèi)部的高溫和高壓會(huì)導(dǎo)致電池機(jī)械開(kāi)裂甚至爆炸，或者出現(xiàn)泄露。在0°C"45°C溫度范圍之外對(duì)電池進(jìn)行充電會(huì)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(kāi)，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(shí)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(gè)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
電池充電器設(shè)計(jì)
考慮到前面的系統(tǒng)因素，可以開(kāi)發(fā)出合適的充電管理系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
線(xiàn)性解決方案
當(dāng)輸入源穩(wěn)壓良好時(shí)，可以采用線(xiàn)性充電解決方案。Microchip的MCP738xx 線(xiàn)性電池充電器系列就是一個(gè)線(xiàn)性充電解決方案的例子。在這些應(yīng)用中，線(xiàn)性解決方案提供了諸多優(yōu)點(diǎn)，如易于使用、尺寸小以及低成本。
開(kāi)關(guān)式充電解決方案
對(duì)于輸入電壓范圍較寬的情況，如無(wú)穩(wěn)壓的AC-DC墻式適配器或汽車(chē)DC輸入，開(kāi)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)?/strong>結(jié)構(gòu)
開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)和無(wú)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。電源轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，但只有幾種適用于5W"50W范圍的電池充電器。
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(diǎn)和缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：1. 復(fù)雜性低、單電感結(jié)構(gòu)。2. 對(duì)于同步應(yīng)用，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%。
缺點(diǎn)：1. 降壓穩(wěn)壓器MOSFET開(kāi)關(guān)集成的二極管在沒(méi)有輸入電壓時(shí)會(huì)構(gòu)成一個(gè)電池放電通路。因此需要一個(gè)額外的阻斷二極管，增加額外器件的同時(shí)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?fù)浣Y(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(duì)比輸入電壓低的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。有些應(yīng)用的輸入電壓范圍寬，覆蓋到必需的輸出電壓范圍。對(duì)于對(duì)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(lái)說(shuō)，這種情況很常見(jiàn)。4. 發(fā)生降壓開(kāi)關(guān)短路故障時(shí)，輸入至電池之間短路。對(duì)于不具備電池內(nèi)部保護(hù)的鎳氫電池，就會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題。5. 降壓穩(wěn)壓器需要高端驅(qū)動(dòng)(對(duì)N通道MOSFET開(kāi)關(guān))，與低端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這會(huì)帶來(lái)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(kāi)關(guān)電流檢測(cè)比較復(fù)雜。對(duì)于電池短路或負(fù)載短路等故障模式來(lái)說(shuō)，限制開(kāi)關(guān)電流非常重要，沒(méi)有高速開(kāi)關(guān)電流限制能力，電池充電器在發(fā)生短路時(shí)會(huì)被損壞。
SEPIC(單端初級(jí)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(diǎn)，當(dāng)然也有一些缺點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：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(huì)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(kāi)關(guān)短路時(shí)可以保護(hù)負(fù)載或電池。4. SEPIC穩(wěn)壓器的拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)具有升壓或降壓能力。5. SEPIC開(kāi)關(guān)是低端驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了柵極驅(qū)動(dòng)以及開(kāi)關(guān)中的電流檢測(cè)。6. 次級(jí)側(cè)電感平均電流等于電池電流，因此檢測(cè)電流不需要在電池低端串聯(lián)電阻。
缺點(diǎn)：1. 需要兩個(gè)電感或一個(gè)耦合電感。 2. 需要一個(gè)耦合電容，對(duì)于大功率(> 50W)，或高電壓(VIN > 100V)應(yīng)用，成本較高。
開(kāi)關(guān)式電池充電器設(shè)計(jì)
通過(guò)將設(shè)計(jì)劃分為兩部分，可以開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)的智能電池充電器系統(tǒng)。電池充電器實(shí)質(zhì)上是混合信號(hào)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(kāi)/關(guān)，需要某種模擬驅(qū)動(dòng)電路。另一方面，充電結(jié)束定時(shí)器、故障管理以及開(kāi)/關(guān)控制一般是數(shù)字化控制的，需要定時(shí)器和可編程能力。
電池充電器技術(shù)參數(shù)
輸入電壓：6V"20V
輸出電壓：0V"4.2V(單節(jié)電池)， 0V"8.4V(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(guò)壓保護(hù)(電池移除)
過(guò)流保護(hù)(電池或負(fù)載短路)
檢測(cè)電池溫度：保證充電安全[!--empirenews.page--]
策略和方法
對(duì)混合信號(hào)的設(shè)計(jì)采用分兩部分的方式，首先選擇單片機(jī)，用于讀取電池組狀態(tài)(電壓和溫度)，并對(duì)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(jī)。然后，再選擇內(nèi)置MOSFET驅(qū)動(dòng)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(jì)SEPIC可編程電流源
與所有開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)一樣，輸出是通過(guò)改變占空比，或開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的比例(Q1，見(jiàn)圖2)來(lái)控制的。為穩(wěn)定流入電池的電流，必須檢測(cè)充電電流。如圖2所示，電流檢測(cè)元件并沒(méi)有與電池串聯(lián)。SEPIC穩(wěn)壓器次級(jí)繞組Ls承載平均輸出電流。初級(jí)繞組Lp承載平均輸入電流。次級(jí)電阻Rs用來(lái)檢測(cè)電池充電電流。高速模擬PWM參考輸入則決定電池充電電流。
圖 2 混合信號(hào)電池充電器框圖
混合信號(hào)設(shè)計(jì)
利用MCP1630作為模擬PWM和驅(qū)動(dòng)器，可以獲得一個(gè)可編程的SEPIC電流源。PWM和驅(qū)動(dòng)器提供模擬穩(wěn)流功能、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)以及高速過(guò)流保護(hù)。PIC12F683單片機(jī)設(shè)定SEPIC電源開(kāi)關(guān)頻率(500 kHz)并編程設(shè)定SEPIC恒定輸出電流。PWM和驅(qū)動(dòng)器利用單片機(jī)中的硬件PWM來(lái)設(shè)定SEPIC開(kāi)關(guān)頻率和最大占空比。硬件PWM頻率等于SEPIC電源開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)，硬件PWM占空比確定了最大SEPIC電源占空比。單片機(jī)的硬件PWM輸出500 kHz，25%占空比的脈沖將SEPIC開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為500 kHz，最大占空比75%。標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)I/O引腳利用簡(jiǎn)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(lái)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 PWM輸出占空比(Vext)，直到Vref輸入電壓與誤差放大器FB輸入端電壓相等。通過(guò)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(dòng)器能夠以大于 500 kHz的頻率驅(qū)動(dòng)MOSFET，同時(shí)利用一個(gè)內(nèi)部高速(典型值為12ns)比較器來(lái)監(jiān)測(cè)SEPIC開(kāi)關(guān)電流。如果開(kāi)關(guān)電流太大，PWM占空比就會(huì)為0，從而限制電池電流。
最后，充電電流還將根據(jù)來(lái)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(jī)的ADC讀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(guò)程的電池電壓變化速率遠(yuǎn)快于恒流充電時(shí)的速率。對(duì)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(shí)，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(mǎn)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(duì)鎳氫電池，快速充電階段結(jié)束時(shí)，需要滿(mǎn)足下面一個(gè)條件或同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：電池電壓保持恒定或隨著時(shí)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(kāi)始進(jìn)行定時(shí)涓流浮充。ADC輸入和電池組熱電偶相配合可以檢測(cè)電池溫度。通過(guò)讀出“TEMP_SENSE”輸入端的電壓，可以確定電池溫度。當(dāng)檢測(cè)到電池電壓太高時(shí)，PIC12F683 中斷代碼可以提供過(guò)壓保護(hù)(OV)。SEPIC轉(zhuǎn)換器在不到1ms的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷，在電池端接端造成的電壓過(guò)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(cè)一個(gè)通道，此時(shí)的電流大小通常不到5 mA。
可選的特性
此外，結(jié)合一個(gè)單片機(jī)和多個(gè)高速模擬PWM模塊還可以增加更多功能，例如針對(duì)多組電池充電應(yīng)用的充電器組，異相開(kāi)關(guān)技術(shù)以及輸入電源預(yù)算功能。
結(jié)語(yǔ)
在開(kāi)發(fā)電池充電器時(shí)采用混合信號(hào)方式，可以充分發(fā)揮模擬和數(shù)字兩方面的優(yōu)點(diǎn)?；?strong>混合信號(hào)的設(shè)計(jì)支持高頻工作(500kHz)、高速保護(hù)(12ns,從電流檢測(cè)到輸出)，并可將濾波器件的尺寸縮到最小。此外，系統(tǒng)的可編程數(shù)字功能還可以準(zhǔn)確判斷充電的不同階段并設(shè)定充電電流。 由于可以容易地進(jìn)行電流設(shè)置和編程，因此，通過(guò)固件就可以支持新的電池充電方法，這種設(shè)計(jì)并不僅僅適用于鋰離子和鎳氫電池，同時(shí)還可通過(guò)編程支持未來(lái)的可充電技術(shù)。
下載文檔
