基于RFID的手持機鋰電池快速充電電路設(shè)計

1 引言

　射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)作為快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標準化的基礎(chǔ),已經(jīng)被世界公認為本世紀十大重要技術(shù)之一,在生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。射頻識別技術(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、參與國際經(jīng)濟大循環(huán)、增強競爭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)的實施, 需要各種RFID 讀寫設(shè)備。手持式RFID 讀寫設(shè)備由于其攜帶方便、便于使用的特點,在物流應(yīng)用中占有較大的市場。但是現(xiàn)在市場上大部分手持式RFID 讀寫設(shè)備的功耗較高, 為了延長其工作時間,需要采用大容量的鋰電池供電, 如何提供一個鋰電池快速充電的一種方法,這是本文需要探討的一個問題。本文就來設(shè)計滿足RFID 手持機功耗要求的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 讀寫設(shè)備的工作電壓為5V,這樣對于RFID 手持機就需要一個升壓電路。

　2.1 升壓電路的基本原理

　常用Boost 升壓電路的原理如文獻所示。該電路實現(xiàn)升壓的工作過程可以分為兩個階段:充電過程和放電過程。第一個階段是充電過程:當三極管Q1 導通時,電感充電,等效電路如圖1(a)所示。電源對電感充電,二極管防止電容對地放電。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,這個比率與電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加,電感中儲存了大量能量。

　第二階段是放電過程:當三極管Q1 截止時,電感放電,等效電路如圖2(b)所示。當三極管Q1 由導通變?yōu)榻刂箷r,由于電感的電流保持特性,流經(jīng)電感的電流不會在瞬間變?yōu)?,而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的通路已斷開,于是電感只能通過新電路放電,即電感開始給電容充電,電容兩端電壓升高,此時電容電壓可達到高于輸入電壓的值。

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　2.2 升壓電路的設(shè)計

　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、外圍電路簡單等特點。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 可知升壓電路通過外接10uH 電感儲能, 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 管的導通與截止, 來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,輸出電壓紋波只有40mV,最大輸出電流可達500mA。

    3 充電電路

　3.1 鋰電池充電電路的基本原理

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

　從圖2 可知升壓電路通過外接10uH 電感儲能, 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 管的導通與截止, 來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,輸出電壓紋波只有40mV,最大輸出電流可達500mA。
    3 充電電路

　3.1 鋰電池充電電路的基本原理

　鋰電池的充電過程可分為三個階段:預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。當鋰電池的電壓低于最小充電電壓,則首先進入預(yù)充電階段,以微小電流(通常取標準電流的10%)給電池充電,直至電池電壓達到最小充電電壓。此階段的預(yù)充電能夠防止鋰電池在過放后直接以大電流恒流充電造成的損壞。當電池電壓高于最小充電電壓時,充電進入恒流充電階段。通常恒流充電電流取為0.5C(C 為鋰電池的容量)。當鋰電池的電壓達到標準電壓時,進入恒壓充電狀態(tài), 充電電流不斷減小, 直至電流減小至100mA左右,充電完成。[!--empirenews.page--]

　3.2 鋰電池充電電路的設(shè)計

　鋰電池充電電路的原理圖如圖3 所示, 采用TI 公司的bq2057 實現(xiàn)。bq2057 系列是一款先進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 可以動態(tài)補償鋰電池組的內(nèi)阻以減少充電時間;帶有可選的電池溫度監(jiān)測,利用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測電池溫度, 當電池溫度超出設(shè)定范圍時BQ2057 關(guān)閉對電池充電;內(nèi)部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測和可編程充電電流,充電狀態(tài)識別可由輸出的LED 指示燈或與主控器接口實現(xiàn),具有自動重新充電、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)計的充電器外圍電路比較簡單,非常適合便攜式電子產(chǎn)品的緊湊設(shè)計需要。

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

　該電路經(jīng)過實際測試, 對3.7V 2000mAh 的鋰聚合物電池充電,最大充電電流可達810mA,3 小時可以將電池充滿。充電數(shù)據(jù)如表1 所示:

　從上表可以看出,當充電電路顯示充滿時,實測電池電壓為4.12V,與標準電壓4.2V 相差0.5V。出現(xiàn)誤差的原因在于,在充電過程中,鋰電池的充電電流存在波動,當電流在瞬間低于某一閾值時,bq2057 認為充電完畢,關(guān)斷充電電路。

    4 結(jié)論

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