基于MCP1631HV的多功能充電器系統(tǒng)設(shè)計

1 概述
    隨著便攜式可充電應(yīng)用的持續(xù)增長，對獨特或者定制電池充電器設(shè)計的需求也在不斷增加。除了便攜式可充電應(yīng)用的增長之外，電池化學(xué)也在不斷進步，涌現(xiàn)了許多新的充電算法。
    本文采用Microchip公司的高速PWM系列器件MCP1631HV設(shè)計了一款多種充電算法并存、用戶可以進行靈活配置、可以滿足多種不同特性的充電電池的智能充電器。整個硬件體積大小為7 cm×6．7 cm×3 cm，可以滿足目前社會對智能充電器小體積、可靈活配置以及高充電效率的需求。整個智能充電器系統(tǒng)的設(shè)計包括3部分：智能充電器充電算法原理、智能充電器硬件系統(tǒng)設(shè)計以及充電算法系統(tǒng)軟件設(shè)計。

2 智能充電器多種充電算法原理
    針對目前市面上常見的可充電電池類型，具體分析鎳氫鎳鎘電池充電曲線以及鋰離子電池充電曲線。圖1是鎳氫鎳鎘電池充電曲線特性圖。

    從圖1可以看出，整個鎳氫鎳鎘充電曲線的工作過程是：一旦MCU檢測到有充電電池，就會有受控小電流或調(diào)理電流流入電池組，從而開始進行充電。如果充電的每節(jié)電池電壓都在0．9 V以上，就對電池組開始快速充電或者使用高電流進行充電。對于鎳氫或鎳鎘電池，充電電池的范圍可達(甚至超過)電池容量的50％～100％。當電池到達其容量時，采取漸止充電方式完成充電周期。
    當電池充電完成時，需要停止對電池組的進行充電，一般采取兩種方法來判斷是否停止充電：
    ①根據(jù)電池組溫度的突然增加；
    ②根據(jù)電池組電壓的細微下降-dV／dt。
    針對鎳氫鎳鎘電池而言，電池組電壓的細微下降不容易檢測，因為變化率變化非常小，但是-dT／dt變化率較大，容易檢測，因此在下面的設(shè)計中對鎳氫電池組采用第一種方法進行停止充電檢測。
    鋰離子電池充電曲線特性如圖2所示。鋰離子電池充電之前先要進行電池校驗，且在開始快速或者高電流充電之前，每塊電池的電壓均應(yīng)大于3 V。若小于3 V，使用低值調(diào)理電流來開始充電周期。MCU一旦檢測到電池電壓大于3 V閾值，就將啟動快速或高電流充電，隨著電池電壓的上升，在電池充滿之前電壓到達最大值。絕大多數(shù)鋰離子電池的恒定電壓是4．2 V，達到這個電壓值以后，電池充電器變成恒壓源(調(diào)節(jié)電流而不調(diào)節(jié)電壓)。當處于恒壓模式時，隨著充電電流的降低，充電周期仍然繼續(xù)；當充電電流下降到快速充電電流約7％時，停止充電。如果充電結(jié)束后電壓下降到4．0 V以下，則可以開始新的充電周期。[!--empirenews.page--]
    針對電池充電器的功耗問題，一般有兩種解決方法：線性和開關(guān)模式。為了提升智能充電器的充電效率，本文采用開關(guān)充電器的設(shè)計方法，從而將充電器的充電效率提升到85％。
    目前存在諸多的開關(guān)穩(wěn)壓器功率拓撲：降壓、升壓、SEPIC以及反激式等。由于SEPIC功率拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)于其他的拓撲結(jié)構(gòu)，本文采用SEPIC功率拓撲結(jié)構(gòu)。具體的SEPIC功率拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 智能充電器硬件系統(tǒng)設(shè)計
    智能充電器是采用MCU來控制高速模擬PWM器件MCP1631HV來實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的。利用MCU的可編程性。通過軟件編程設(shè)計來生成不同的充電算法。MCP1631HV就是針對恒流SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用的，它提供了一種新的高速模擬PWM。由于實現(xiàn)了脈寬調(diào)制，使用MCP1631HV來控制，具有模擬速度和分辨率高的好處。
    在系統(tǒng)的硬件設(shè)計中主要包括以下3個部分：MCU核心控制和處理模塊、智能充電器SEPIC模塊，以及系統(tǒng)配置鍵盤輸入和狀態(tài)顯示模塊。
3．1 MCU核心控制和處理模塊
    MCU核心控制和處理模塊設(shè)計主要包括Microchip公司PIC16F883微控制器的外圍最小系統(tǒng)設(shè)計、MCU的外圍電路和程序下載調(diào)試接口設(shè)計等。利用MCU內(nèi)部自帶的10位ADC對電池組充電時的溫度進行采集，分配PORTA口的RA0作為溫度輸入端，RA4作為普通I／O口對MCP1631HV的SHDN使能端進行控制。RA5～RA7這3個輸入端口作為系統(tǒng)配置鍵盤的輸入，其中RA5作為充電器充電開始和停止的開關(guān)，RA6用于選擇充電電池的類型，RA7用于選擇充電器的電池數(shù)。PORTB口的低4位RB0～RB5作為系統(tǒng)工作時的指示燈，RB6和RB7是MCU的程序下載和調(diào)試接口。MCU的外圍電路及其調(diào)試接口電路如圖4所示。

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3．2 智能充電器SEPIC模塊
    智能充電器的SEPIC功率拓撲結(jié)構(gòu)部分硬件電路如圖5所示。

    圖5中設(shè)計的SEPIC功率拓撲結(jié)構(gòu)是按照第2節(jié)中所論述的原理進行設(shè)計的。主要采用了電容隔離，輸入和輸入之間沒有直接的直流通路，在減少了功率元件使用的同時使得充電器更加安全；SEPIC轉(zhuǎn)換器在輸入端有一個電感L74487010，它能平滑輸入電流，減少了必要的濾波，降低了源噪聲；IRF7807VTRPBF內(nèi)置的低側(cè)單開關(guān)降低了MOSFET驅(qū)動和限流保護的復(fù)雜程度；對于輸入電壓可能高于或低于電池電壓的應(yīng)用，SEPIC可以對輸入電壓升壓或者降壓。
3．3 系統(tǒng)配置鍵盤輸入和狀態(tài)顯示模塊
    智能充電器多功能性的實現(xiàn)，需要通過系統(tǒng)配置鍵盤進行用戶輸入配置后，才能完成相應(yīng)的充電算法。系統(tǒng)配置鍵盤和狀態(tài)顯示電路如圖6所示。

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    用戶根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)的充電算法，通過鍵盤輸入和LED狀態(tài)指示進行相應(yīng)的設(shè)置。鍵盤部分采用獨立按鍵設(shè)計方法。

4 智能充電器充電算法系統(tǒng)軟件設(shè)計
    針對多種充電算法，在MCU內(nèi)部通過軟件編程實現(xiàn)了兩種充電算法：鎳氫鎳鎘電池充電算法和鋰離子電池充電算法。整體軟件設(shè)計流程如圖7所示。在MCU上電開始工作時先對系統(tǒng)的I／O端口以及所使用到的內(nèi)部外設(shè)資源進行設(shè)置，然后檢測超級循環(huán)，不斷進行電池電壓、電池溫度以及系統(tǒng)按鍵是否按下等的檢測，并根據(jù)相應(yīng)的觸發(fā)條件去處理相應(yīng)的事件。

5 結(jié)論
    本文基于高速模擬PWM器件MCP1631HV設(shè)計了一種智能多功能充電器，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的充電算法，可滿足市場上對多功能、小體積以及高充電效率的需求，具有一定的優(yōu)勢和較高的應(yīng)用價值。