基于RFID的手持機(jī)鋰電池快速充電電路設(shè)計(jì)

1 引言

　射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ),已經(jīng)被世界公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一,在生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個(gè)行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。射頻識(shí)別技術(shù)已逐漸成為企業(yè)提高物流供應(yīng)鏈管理水平、降低成本、企業(yè)管理信息化、參與國(guó)際經(jīng)濟(jì)大循環(huán)、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力不可缺少的技術(shù)工具和手段。

　基于RFID 技術(shù)的物流供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)的實(shí)施, 需要各種RFID 讀寫(xiě)設(shè)備。手持式RFID 讀寫(xiě)設(shè)備由于其攜帶方便、便于使用的特點(diǎn),在物流應(yīng)用中占有較大的市場(chǎng)。但是現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分手持式RFID 讀寫(xiě)設(shè)備的功耗較高, 為了延長(zhǎng)其工作時(shí)間,需要采用大容量的鋰電池供電, 如何提供一個(gè)鋰電池快速充電的一種方法,這是本文需要探討的一個(gè)問(wèn)題。本文就來(lái)設(shè)計(jì)滿足RFID 手持機(jī)功耗要求的DC-DC 變換電路, 以及相應(yīng)的鋰電池快速充電電路。

    2 升壓電路

　單節(jié)鋰電池的供電電壓為3.7V,RFID 讀寫(xiě)設(shè)備的工作電壓為5V,這樣對(duì)于RFID 手持機(jī)就需要一個(gè)升壓電路。

　2.1 升壓電路的基本原理

　常用Boost 升壓電路的原理如文獻(xiàn)所示。該電路實(shí)現(xiàn)升壓的工作過(guò)程可以分為兩個(gè)階段:充電過(guò)程和放電過(guò)程。第一個(gè)階段是充電過(guò)程:當(dāng)三極管Q1 導(dǎo)通時(shí),電感充電,等效電路如圖1(a)所示。電源對(duì)電感充電,二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電,所以電感上的電流首先以一定的比率線性增加,這個(gè)比率與電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加,電感中儲(chǔ)存了大量能量。

　第二階段是放電過(guò)程:當(dāng)三極管Q1 截止時(shí),電感放電,等效電路如圖2(b)所示。當(dāng)三極管Q1 由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí),由于電感的電流保持特性,流經(jīng)電感的電流不會(huì)在瞬間變?yōu)?,而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來(lái)的通路已斷開(kāi),于是電感只能通過(guò)新電路放電,即電感開(kāi)始給電容充電,電容兩端電壓升高,此時(shí)電容電壓可達(dá)到高于輸入電壓的值。

　2.2 升壓電路的設(shè)計(jì)

　升壓電路采用立锜科技的RT9266B 高效率DC-DC 升壓芯片,RT9266B 具有功耗低、靜態(tài)電流小、轉(zhuǎn)換效率高、外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。芯片內(nèi)帶有自適應(yīng)的PWM 控制環(huán)、誤差放大器、比較器等,通過(guò)外接反饋電路,能夠?qū)⑤敵鲭妷涸O(shè)置為需要的任何幅值,具有很高的電壓精度。電路圖如圖2 所示。

　從圖2 可知升壓電路通過(guò)外接10uH 電感儲(chǔ)能, 利用反饋電阻R1 與R2 控制升壓電路的輸出電壓, 利用RT9266B 內(nèi)部自待的PWM 控制器控制NMOS 管的導(dǎo)通與截止, 來(lái)控制升壓電路的輸出電流。由于該芯片內(nèi)部具有自適應(yīng)的PWM 控制器,能夠適應(yīng)較大的負(fù)載變化范圍。

　用該升壓電路將3.7V 2000mAh 聚合物鋰電池升壓至5V時(shí),輸出電壓紋波只有40mV,最大輸出電流可達(dá)500mA。

    3 充電電路

　3.1 鋰電池充電電路的基本原理

　鋰電池的充電過(guò)程可分為三個(gè)階段:預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。當(dāng)鋰電池的電壓低于最小充電電壓,則首先進(jìn)入預(yù)充電階段,以微小電流(通常取標(biāo)準(zhǔn)電流的10%)給電池充電,直至電池電壓達(dá)到最小充電電壓。此階段的預(yù)充電能夠防止鋰電池在過(guò)放后直接以大電流恒流充電造成的損壞。當(dāng)電池電壓高于最小充電電壓時(shí),充電進(jìn)入恒流充電階段。通常恒流充電電流取為0.5C(C 為鋰電池的容量)。當(dāng)鋰電池的電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí),進(jìn)入恒壓充電狀態(tài), 充電電流不斷減小, 直至電流減小至100mA

　從圖2 可知升壓電路通過(guò)外接10uH 電感儲(chǔ)能, 利用反饋電阻R1 與R2 控制升壓電路的輸出電壓, 利用RT9266B 內(nèi)部自待的PWM 控制器控制NMOS 管的導(dǎo)通與截止, 來(lái)控制升壓電路的輸出電流。由于該芯片內(nèi)部具有自適應(yīng)的PWM 控制器,能夠適應(yīng)較大的負(fù)載變化范圍。

　用該升壓電路將3.7V 2000mAh 聚合物鋰電池升壓至5V時(shí),輸出電壓紋波只有40mV,最大輸出電流可達(dá)500mA。
    3 充電電路

　3.1 鋰電池充電電路的基本原理

　鋰電池的充電過(guò)程可分為三個(gè)階段:預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。當(dāng)鋰電池的電壓低于最小充電電壓,則首先進(jìn)入預(yù)充電階段,以微小電流(通常取標(biāo)準(zhǔn)電流的10%)給電池充電,直至電池電壓達(dá)到最小充電電壓。此階段的預(yù)充電能夠防止鋰電池在過(guò)放后直接以大電流恒流充電造成的損壞。當(dāng)電池電壓高于最小充電電壓時(shí),充電進(jìn)入恒流充電階段。通常恒流充電電流取為0.5C(C 為鋰電池的容量)。當(dāng)鋰電池的電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí),進(jìn)入恒壓充電狀態(tài), 充電電流不斷減小, 直至電流減小至100mA左右,充電完成。

　3.2 鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)

　鋰電池充電電路的原理圖如圖3 所示, 采用TI 公司的bq2057 實(shí)現(xiàn)。bq2057 系列是一款先進(jìn)的鋰電池充電管理芯片,適合于單節(jié)(4.1V 或4.2V)或雙節(jié)(8.2V 或8.4V)鋰離子和鋰聚合物電池的充電需要。BQ2057 可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償鋰電池組的內(nèi)阻以減少充電時(shí)間;帶有可選的電池溫度監(jiān)測(cè),利用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測(cè)電池溫度, 當(dāng)電池溫度超出設(shè)定范圍時(shí)BQ2057 關(guān)閉對(duì)電池充電;內(nèi)部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測(cè)和可編程充電電流,充電狀態(tài)識(shí)別可由輸出的LED 指示燈或與主控器接口實(shí)現(xiàn),具有自動(dòng)重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠、電壓精度高(優(yōu)于±1%)等特性。利用該芯片設(shè)計(jì)的充電器外圍電路比較簡(jiǎn)單,非常適合便攜式電子產(chǎn)品的緊湊設(shè)計(jì)需要。

　該電路通過(guò)SNS 與COMP 兩端的感應(yīng)電阻R5 調(diào)節(jié)CC 端輸出PWM 波的頻率來(lái)控制Q1 三極管的導(dǎo)通與截止,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最大充電電流的控制。

　該電路經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試, 對(duì)3.7V 2000mAh 的鋰聚合物電池充電,最大充電電流可達(dá)810mA,3 小時(shí)可以將電池充滿。充電數(shù)據(jù)如表1 所示:

　從上表可以看出,當(dāng)充電電路顯示充滿時(shí),實(shí)測(cè)電池電壓為4.12V,與標(biāo)準(zhǔn)電壓4.2V 相差0.5V。出現(xiàn)誤差的原因在于,在充電過(guò)程中,鋰電池的充電電流存在波動(dòng),當(dāng)電流在瞬間低于某一閾值時(shí),bq2057 認(rèn)為充電完畢,關(guān)斷充電電路。

    4 結(jié)論

　本文設(shè)計(jì)了一種RFID 手持機(jī)鋰電池快速充電電路, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明使用RT9266B 和bq2057 設(shè)計(jì)的鋰電池充電和升壓電路能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,而且兩款芯片的封裝尺寸教小,外圍電路簡(jiǎn)單,非常適合應(yīng)用于手持設(shè)備的電源管理。