使用鋰離子技術實現(xiàn)電池充電器

本文中，我們將舉例說明如何使用鋰離子技術來實現(xiàn)電池充電器。鋰離子電池充電器通常采用恒流(CC) — 恒壓(CV)充電曲線。充電過程會經(jīng)歷幾個不同的階段，在確保電池容量充滿的同時要符合特定的安全規(guī)則。CC-CV曲線包括以下幾個階段：

1. 預充

2. 激活

3. 恒流

4. 恒壓

充電開始為預充階段，以檢查電池狀況是否良好。在此階段中，通常給電池提供電池容量5%到15%的少量電流，如果電池電壓上升到2.8V以上，則認為電池狀況良好，可以進入到激活階段。在此階段中，給電池提供相同的電流，但會持續(xù)更長的時間。當電池電壓上升到3V以上，則啟動快充，并提供等于或低于電池容量的恒定電流。當電池電壓上升到完全充電電壓(4.2V) 時或出現(xiàn)超時情況(不管哪一種情況先出現(xiàn))，恒流階段結束。電池電壓到達完全充電電壓時，充電進入到恒壓階段，且電池電壓保持恒定。要做到這一點，充電電流必須隨著時間的推移而降低。這一階段的充電過程相比于其它充電階段而言所需的時間最長。在這個過程中，當充電電流降到“結束電流”限度以下，通常為電池容量的2%，則電池充滿，充電過程結束。請注意，充電過程中每個階段都有一個時間限制，這是一個重要的安全特性。

圖1：鋰離子電池充電曲線

為了實施這一充電曲線，必須隨時了解電池電壓和充電電流。此外，還要檢查電池的溫度。因為在充電時，電池往往會變熱。如果溫度超過電池的規(guī)定限額，就可能對電池造成損害。

就電池充電器的實現(xiàn)方案而言，用戶可有兩個選擇。一是采用專門的電池充電器IC，二是采用更加通用的微控制器。第一種方案能快速解決問題，但其可配置性和用戶界面選項(LED指示燈)有限。第二種方案采用微控制器，設計的時間會稍微長一些，但能提供可配置性選項，并且還能集成其它功能，如電池充電狀態(tài)(SOC)計算以及通過通訊接口向系統(tǒng)中的主機處理器發(fā)送信息等。此外，微控制器不能提供充電器所必需的電源電路系統(tǒng)，而且還需要外部BJT或MOSFET。不過這些電源組件的成本相比于微控制器或專門的充電器IC 而言要低得多。

充電器架構

我們從充電曲線可以看出，單節(jié)鋰離子電池充電器需要可控的電流源。電流源輸出應當根據(jù)電池狀態(tài)而改變?？紤]到上述要求，基于微控制器的實施方案需要以下功能模塊：

1. 電流控制電路

2. 電池參數(shù)(電壓、電流、溫度)測量電路

3. 充電算法(用于實現(xiàn)CC—CV充電曲線)

方案框圖如下所示：

圖2：鋰離子電池充電器框圖

電流控制電路可采用電壓源和電流反饋技術進行構建。其工作原理類似于典型的負反饋控制系統(tǒng)。允許充電電流通過小電阻以獲得反饋，從而產生一定的電壓。

電壓源可采用兩種方法進行創(chuàng)建：

1. 線性拓撲結構

2. 開關：降壓或升壓拓撲結構

線性拓撲結構采用線性模式的串聯(lián)導通元件(BJT或MOSFET)，如圖3所示。

圖3：線性拓撲結構[!--empirenews.page--]

通過控制串聯(lián)導通晶體管Q1的偏置實現(xiàn)對充電電流的控制?？墒褂脭?shù)模轉換器(ADC)或脈寬調制器(PWM)配合外部RC低通濾波器來控制偏置。線性方法適用于充電電流(<1A)較低的情況，因為串聯(lián)導通元件會面臨功率消耗問題。

開關拓撲結構本身具有低功耗的優(yōu)勢，能實現(xiàn)較高的充電電流?；陂_關降壓調節(jié)器的充電器如圖4所示。

圖4：開關降壓調節(jié)器拓撲結構

充電電流由驅動MOSFET的PWM占空比而設定。

電池參數(shù)測量電路：反饋信號需要使用ADC進行測量，目前大多數(shù)微控制器均可提供ADC外設。在圖3和圖4中，我們看到了如何獲取電池電壓和電流反饋。然而，這些差分信號需要差分ADC進行測量，而通常在微控制器中采用的是單端ADC。圖4和圖5所示的電路通過讓微控制器接地和電源接地不同，可方便地加以修改，從而為電壓、電流和溫度等所有3個參數(shù)生成單端信號。

圖5：采用單端ADC進行測量

電池負端可作為微控制器接地，這就讓電壓、溫度和電流反饋可參考微控制器接地，并能進行單端ADC測量。對于電流反饋而言，正偏移電壓需要引入，而反饋電壓在電池充電時將為負。如圖5所示，電阻R3和R4提供了所需的偏移電壓。

充電算法：這一行為將結束環(huán)路。CPU讀取ADC以獲取電壓、充電電流和溫度讀數(shù)，并根據(jù)充電曲線控制PWM占空比。CPU監(jiān)控ADC結果與控制PWM的速度取決于環(huán)路響應時間和CPU帶寬消耗二者之間如何平衡。

ADC參數(shù)和PWM分辨率：ADC分辨率和精確度以及PWM分辨率是在設計電池充電器時應考慮到的重要參數(shù)。ADC分辨率定義了輸入電壓測量的精度(這里是指反饋電壓)。PWM分辨率則定義了改變輸出信號占空比的精度，這進而又決定了電流控制電路的輸出電壓。鋰離子電池充電時，電池電壓需要實現(xiàn)準確和高精度的控制。當電池電壓接近充滿狀態(tài)時，這一點就顯得尤為重要。可控性取決于ADC分辨率、測量的準確度以及占空比變化的細粒度。

圖5給出了采用賽普拉斯CY8C24x23 PSoC器件實施的充電器架構示例。微控制器與通用數(shù)字和模擬模塊配合使用，可配置為特定的電路功能。舉例來說，持續(xù)時間模擬模塊可用來實施可編程增益放大器和比較器。開關電容模擬模塊則有多種不同用途，包括濾波器、數(shù)模轉換器(DAC)和模數(shù)轉換器(ADC) 等。數(shù)字基礎模塊可用來實施PWM、計數(shù)器、定時器和緩沖器，而數(shù)字通訊模塊則可用來實施SPI、UART、IrDA RX和TX等通信接口。此外，該器件還可提供I2C模塊，可用作為主設備或從設備。

圖6所示為單節(jié)電池充電器應用的器件資源消耗情況，我們看到還有足夠的數(shù)字和模擬模塊能夠實施其它有用的功能，這就為系統(tǒng)提供了更多的集成選項，從而有助于降低系統(tǒng)成本和大小。

圖6：采用PSoC 1 (CY8C24x23)的實施方案