基于MCU的離線鋰電池充電器設(shè)計(jì)

高效、低成本及可靠的電池充電器設(shè)計(jì)可用各種方法來實(shí)現(xiàn)，但采用8位閃速MCU不僅能縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、降低成本及提供安全可靠的產(chǎn)品，而且還能使設(shè)計(jì)人員以最少的工作量來進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。

圖1：(a)：降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)“開”；(b)：降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)“關(guān)”

考慮到電池安全充電的成本、設(shè)計(jì)效率及重要性，基于MCU的解決方案可為設(shè)計(jì)者們提供諸多優(yōu)勢(shì)。通過選擇帶適當(dāng)外圍與閃存的8位MCU，工程師們能充分利用其優(yōu)勢(shì)來設(shè)計(jì)一種離線鋰電池充電器。帶2KB閃存及適當(dāng)外圍以提供一種廉價(jià)解決方案的飛利浦 80C51型MCU就是這樣一個(gè)例子。集成化閃存還能提供高效及方便地調(diào)試應(yīng)用代碼并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)軟件升級(jí)(如果需要)的能力。

由于設(shè)計(jì)界不僅熟悉而且廣泛接受8位MCU，故軟硬件開發(fā)可快速進(jìn)行。由眾多廠商提供的各種功能強(qiáng)大且并不昂貴的應(yīng)用開發(fā)工具，也是這種方法的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

利用這種方法，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不僅能極大地縮短設(shè)計(jì)周期，而且還能進(jìn)行更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)，并使項(xiàng)目的整體材料費(fèi)(BOM)不超出可接受的范圍。

圖2：由LPC916控制的鋰電池充電器解決方案　

外圍電路集成

譬如，當(dāng)MCU集成有內(nèi)部振蕩器時(shí)，離線鋰電池充電器設(shè)計(jì)可從以下兩方面獲益。首先，可省掉外部振蕩器，從而節(jié)省成本及PCB占位；其次，內(nèi)部振蕩器可提高系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。

四通道A/D轉(zhuǎn)換器是設(shè)計(jì)工程師們應(yīng)該尋求集成到芯片中的另一種有價(jià)值的外圍電路。除能比使用外部A/D轉(zhuǎn)換器更節(jié)約成本外，還能用它來檢測(cè)充電電壓、電流及電池溫度--幾乎包括安全電池充電操作中的所有重要參數(shù)。

用來實(shí)現(xiàn)以下所介紹設(shè)計(jì)的MCU(P89LPC916)不僅集成了上述所有這些特性而且還擁有可同時(shí)在兩個(gè)時(shí)鐘上執(zhí)行指令的高性能處理器架構(gòu)，從而將其性能提高至標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍。Time0(計(jì)時(shí)器0)很容易被配置成PWM輸出，故易于設(shè)置及使用PWM功能。

基本電池充電標(biāo)準(zhǔn)

圖3：鋰電池充電過程　

本設(shè)計(jì)為專門針對(duì)額定700-750mAh、3.6V放電電壓及4.2V電壓極限的鋰電池充電器解決方案。

充電順序分成以下三個(gè)階段：預(yù)充電階段、恒定電流充電階段及恒定電壓充電階段。

當(dāng)電池只剩下很少的電量且因此而只能產(chǎn)生很低的輸出電壓時(shí)，就必須有預(yù)充電階段。在此情況下，必須采用低電流充電以保護(hù)電池。但如果被充電電池可產(chǎn)生較高電壓(>3V)，則可省略掉預(yù)充電階段。當(dāng)然，這是最普遍的情況。

大部分電能是在恒定電流及恒定電壓充電階段從充電器流入電池。電池的最大允許充電電流由該電池的額定容量決定。對(duì)于快速充電，例如額定700mAh的電池，可用350-400mA電流來充電。

在鋰電池情況下，MCU必須在保持電池正常充電電壓的同時(shí)還監(jiān)視充電電流，以在電池充滿時(shí)能終止充電過程。

溫度監(jiān)視可用來確保執(zhí)行安全的充電步驟，因?yàn)殡S著電池充滿，任何額外的電能都將被轉(zhuǎn)換成熱量。盡管MCU必須為其完成的功能增加溫度監(jiān)視，但當(dāng)今市場(chǎng)上的大多數(shù)鋰電池都帶有內(nèi)置過充電保護(hù)，故溫度監(jiān)視盡管需要但卻很少使用。

降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

圖4：測(cè)試電路

若要設(shè)計(jì)一種帶錐形端接特性的充電器，最有效及最經(jīng)濟(jì)的方法是采用降壓轉(zhuǎn)換器來作為開關(guān)調(diào)整器。降壓轉(zhuǎn)換器使用電感來儲(chǔ)存電能。圖1a及1b分別為開關(guān)處于通/斷位置時(shí)的降壓轉(zhuǎn)換器工作示意圖。

來自PWM的信號(hào)控制充電開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)(圖1a)，電流由于充電器提供的電壓(充電器Vin)而流過電路，此時(shí)電容通過電感充電。

當(dāng)開關(guān)打開時(shí)(如1b所示)，電感試圖通過感應(yīng)電壓來保持電流流動(dòng)，但它不能立刻充電。然后電流流過肖特基二極管并給電容充電。此過程循環(huán)往復(fù)。

當(dāng)通過減少PWM占空比來縮短開關(guān)“通”時(shí)間時(shí)，平均電壓減少。相反，當(dāng)通過增加PWM占空比來延長(zhǎng)開關(guān)“斷”時(shí)間時(shí)，平均電壓增加。故通過控制PWM占空比來使MCU調(diào)整充電電壓(或電流)可達(dá)到所需的輸出值。

在討論設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以前，需先討論與電感及電容有關(guān)的兩個(gè)要點(diǎn)：

1．電感大小

不難看出，確定降壓轉(zhuǎn)換器電感的大小是達(dá)到合適充電電壓及電流的關(guān)鍵。電感大小也與成本有關(guān)。電感容量可用公式1來計(jì)算：

公式1