一種混合信號(hào)通用電池充電器設(shè)計(jì)
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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)汽車適配器充電也面臨同樣的問(wèn)題。汽車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，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，可以開發(fā)出合適的充電管理系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
線性解決方案
當(dāng)輸入源穩(wěn)壓良好時(shí)，可以采用線性充電解決方案。Microchip的MCP738xx 線性電池充電器系列就是一個(gè)線性充電解決方案的例子。在這些應(yīng)用中，線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DC輸入，開關(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)
開關(guān)式穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了穩(wěn)壓器開關(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)，限制開關(guān)電流非常重要，沒(méi)有高速開關(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/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/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開關(guān)頻率和最大占空比。硬件PWM頻率等于SEPIC電源開關(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開關(guān)電流。如果開關(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)，需要滿足下面一個(gè)條件或同時(shí)滿足兩個(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。快速充電結(jié)束后，就開始進(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，異相開關(guān)技術(shù)以及輸入電源預(yù)算功能。
結(jié)語(yǔ)
在開發(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)。
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