無(wú)線(xiàn)設(shè)備中的可編程電池充電技術(shù)

正是用戶(hù)手指底下無(wú)數(shù)個(gè)看不見(jiàn)的可編程器件使得手持設(shè)備變得如此便利和有趣。這些手持設(shè)備配備的電池容量足可以滿(mǎn)足在一個(gè)小孩的注意力集中的時(shí)間段或一個(gè)成人工作日的使用，因此只要電池有機(jī)會(huì)重新充電就可以讓人們周而復(fù)始地享受它帶來(lái)的樂(lè)趣。一些更高級(jí)設(shè)備中的充電器更是具有強(qiáng)大的可編程能力，這些充電器不僅可以縮短充電周期，還能延長(zhǎng)電池的使用壽命。

如今，充電器可編程能力的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了手持設(shè)備的上述的這兩個(gè)基本要求，在監(jiān)視充電電壓和電流的同時(shí)，充電器還能隨時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度，精確地控制電池充電速度，從而實(shí)現(xiàn)最佳的電池容量恢復(fù)和安全性。充電器還在電池的使用過(guò)程中連續(xù)地監(jiān)視電池電壓，不僅可以在電池電壓較低時(shí)予以提醒，還能告訴用戶(hù)在電池必須充電之前還可以使用的剩余時(shí)間。

這種可編程性主要在位于設(shè)備內(nèi)的電池充電器的集成電路中實(shí)現(xiàn)，充電器可以與管理設(shè)備工作過(guò)程的半專(zhuān)用微處理器交流它獲得的一些信息，關(guān)閉系統(tǒng)中不用的或空閑的部分，從而有效地延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

雖然這種智能充電器會(huì)給手持設(shè)備帶來(lái)明顯的好處，但也不能忽視作為最基本形式的獨(dú)立充電器，在有意或無(wú)意缺少微處理器控制的場(chǎng)合這些獨(dú)立充電器將是電池維護(hù)的主要力量。對(duì)這些場(chǎng)合必須引起重視，因?yàn)橛捎谀承┰蛱幚砥鲗o(wú)法智能地控制充電器，此時(shí)充電器必須要有一定的自立能力。比如，電池接近耗盡而使微處理器沒(méi)有足夠的工作電壓這種情況就是需要充電器“自立”的情況之一。

另外一種情況是由于某種非破壞性故障從內(nèi)部切斷了電池組與處理器的聯(lián)系。此時(shí)由外部充電設(shè)備直接供電的充電器必須能夠在沒(méi)有微處理器的幫助的情況下，在最短的可能時(shí)間內(nèi)繼續(xù)安全地按電池化學(xué)特性規(guī)定的嚴(yán)格充電要求正確地給耗盡或開(kāi)路的電池充電。

在根據(jù)手持設(shè)備使用環(huán)境粗略地定義了相對(duì)理想的電池充電器后，讓我們把注意力轉(zhuǎn)移到外部充電設(shè)備。隨著工作的進(jìn)一步深入，電氣工程背景逐漸失去作用，因?yàn)樵谝?guī)定好電壓和電流要求后，我們發(fā)現(xiàn)最困難的就是選擇封裝、電纜長(zhǎng)度等任務(wù)。

當(dāng)然，上述情況是假設(shè)充電設(shè)備是由交流電源供電或汽車(chē)中的充電適配器二次供電的。主要希望充電器設(shè)計(jì)能夠經(jīng)受得住偶然的過(guò)充考驗(yàn)。設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了少許的修改后不僅可以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，還能防止電池過(guò)壓。另外一個(gè)可用于手持設(shè)備充電的設(shè)備是計(jì)算機(jī)上的USB端口。USB端口可以輸出高達(dá)500mA的恒定電流，僅需一根線(xiàn)纜就可建立USB端口和手持設(shè)備的電池之間的充電回路。

許多計(jì)算機(jī)上有豐富的USB端口，因此USB端口已經(jīng)成為充電設(shè)備的首選方案，而交流供電的墻體插座則是第二種選擇方案。即使電腦只有一個(gè)USB端口也沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)樵摱丝谝仓皇窃谏陷d照片和下載MP3等場(chǎng)合用一用。當(dāng)然，也不能忽視墻體插座的重要性，但與USB端口比起來(lái)，墻體插座有許多缺點(diǎn)，至少會(huì)發(fā)生額外的不必要的費(fèi)用。最便宜的墻體插座由50Hz的變壓器、整流橋和濾波電容組成，整流器輸出電壓特性相當(dāng)差，就像交流電壓一樣。增加線(xiàn)性整流器可以改良整流效果，但會(huì)增加功耗?？傊?，交流供電的低端充電設(shè)備雖然便宜，但體積大、效率低。高端交流適配器由于使用開(kāi)關(guān)方式供電，因此體積較小、效率也較高，但成本有較大幅度地提高，并且還具有傳導(dǎo)和幅射問(wèn)題。如果要滿(mǎn)足FCC和其它管理機(jī)構(gòu)的要求，還會(huì)進(jìn)一步增加體積和成本。

由于許多人都擁有個(gè)人電腦，工作場(chǎng)所電腦也是無(wú)所不在，因此最終的低成本充電解決方案肯定是USB端口。對(duì)經(jīng)常往返兩地的人員來(lái)說(shuō)，只需要為車(chē)輛增加一根充電線(xiàn)纜和現(xiàn)成的連續(xù)充電源。下面將具體介紹電池充電器，以及如何獲得最大容量充電器而又不違反USB端口最大的載荷規(guī)定。

具有供電能力的USB端口可以輸出5V電壓和高達(dá)500mA的電流。使用充電電流為常數(shù)500mA的線(xiàn)性充電器時(shí)，容量為1,000mAh的電池只需2個(gè)小時(shí)就能充滿(mǎn)。使用開(kāi)關(guān)模式充電器可以進(jìn)一步提高效率、減少無(wú)源器件的尺寸。圖1是通用的鋰離子電池充電曲線(xiàn)。

圖1：鋰電池的可編程充電曲線(xiàn)

值得注意的是，預(yù)充電流只是正常充電電流的一小部分，只有等電池電壓超過(guò)浮充電壓后才能用滿(mǎn)充電流代替預(yù)充電流對(duì)電池進(jìn)行充電。

開(kāi)關(guān)型充電器必須以盡可能高的頻率工作才能維持其高效率和SMD電感與電容的小型化。集成式的電源開(kāi)關(guān)可以進(jìn)一步減小充電器體積和成本，并提供特定的一些性能優(yōu)勢(shì)，如每個(gè)周期的電流限制和電流模式控制。否則，如果開(kāi)關(guān)位于集成式充電器外部的話(huà)成本會(huì)高出很多。雖然集成平均充電電流檢測(cè)電路非常有吸引力，但最好還是在充電控制器的外部實(shí)現(xiàn)，可直接與電池串聯(lián)。

與低成本熱敏電阻一起構(gòu)成的溫度傳感可以為電池帶來(lái)額外的保護(hù)和更長(zhǎng)的壽命。通過(guò)增加與充電器之間的二線(xiàn)接口通信，可以向用戶(hù)提供充電/檢測(cè)參數(shù)的可編程配置，同時(shí)形成了需要的可以從USB端口工作的智能充電器，可以按預(yù)先確定的、可編程的預(yù)充和滿(mǎn)充速率給電池充電。

即使在設(shè)備關(guān)斷后，可編程性能仍然有效。這可以利用板上EEPROM來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)可以通過(guò)I2C接口和Windows GUI接口對(duì)其進(jìn)行編程?？删幊绦阅馨ǔ潆娺^(guò)程中的一些關(guān)鍵參數(shù)，如預(yù)充電流、預(yù)充到快充的轉(zhuǎn)換電壓、快充電流、快充到減充轉(zhuǎn)換電壓、充電終止電流和浮充電壓設(shè)置。

還有一些旨在通過(guò)終止充電過(guò)程來(lái)防止電池受損的輔助設(shè)置，如預(yù)充超時(shí)、快充超時(shí)以及低溫/高溫告警設(shè)置點(diǎn)。溫度可以通過(guò)3個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)值的熱敏電阻加以監(jiān)視，每個(gè)熱敏電阻都對(duì)應(yīng)著一個(gè)唯一的恒定電流。可以通過(guò)I2C命令或可編程極性使能端來(lái)激活充電過(guò)程。狀態(tài)輸出引腳端可以被編程為閃爍或穩(wěn)態(tài)的開(kāi)路漏極低電平信號(hào)，以指示電池正在充電。

電池和充電器狀態(tài)可以通過(guò)I2C接口讀取。狀態(tài)包括空閑、預(yù)充、快充和充電結(jié)束等充電器狀態(tài)，以及電池沒(méi)裝、過(guò)壓或欠壓、過(guò)溫和欠溫等電池狀態(tài)。用戶(hù)也可以通過(guò)該二線(xiàn)接口獲得三個(gè)充電階段的充電定時(shí)器狀態(tài)。另外，充電控制器經(jīng)過(guò)編程可以自動(dòng)開(kāi)始另一個(gè)再充電循環(huán)，并能通知用戶(hù)目前的充電循環(huán)是否是控制器開(kāi)始工作后的第一次循環(huán)，或控制器開(kāi)始工作后的充電循環(huán)是否已經(jīng)結(jié)束。

一旦電池選定后就可以開(kāi)始實(shí)際的設(shè)計(jì)工作。本案例選擇的是一個(gè)滿(mǎn)充電壓為4.2V、容量為1,000mAh的鋰電池。選用USB端口作為充電電源并要求盡可能快地對(duì)電池進(jìn)行充電。為了方便設(shè)計(jì)，可以運(yùn)行如圖2所示的Windows GUI工具，并通過(guò)點(diǎn)擊上面的“標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置”按鈕獲得需要用戶(hù)設(shè)置的所有參數(shù)。

圖2：通過(guò)Windows GUI可以方便地對(duì)充電參數(shù)進(jìn)行編程

為了防止USB端口輸出電流超過(guò)限值，根據(jù)最大充電電流規(guī)定，可以將充電電流定為稍小于USB最大輸出電流減去電池充電器本身和外圍電路偏置電路所需的數(shù)十毫安電流。參考GUI工具可以發(fā)現(xiàn)450mA是非常理想的充電電流，即使再加上偏置電路的消耗，也不會(huì)超過(guò)USB端口允許的最大輸出電流限定值。充電電流檢測(cè)電阻選用100mΩ。

雖然充電器電流可以設(shè)得再高一點(diǎn)，但要考慮充電器工作電流和其它外圍支持電路(如上拉電阻和可視LED指示器)的電流消耗，必須留有余量以確保USB端口最大輸出電流不被超過(guò)。在完成完整的充電曲線(xiàn)后，將預(yù)充和終止電流分別設(shè)在100mA和25mA。同時(shí)選擇100uA/10k的熱敏電阻以增加熱保護(hù)功能，浮充和預(yù)充到快充的門(mén)限分別設(shè)為4.2V和3.0V。

下一步選擇開(kāi)關(guān)電感和大容量輸出電容。電感的選擇標(biāo)準(zhǔn)是在所選的1.25MHz開(kāi)關(guān)頻率上來(lái)處理20%~25%的紋波電流。L的數(shù)值根據(jù)下式進(jìn)行粗略的計(jì)算：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可選用15uH的電感。具有低等效串聯(lián)電阻的陶瓷電容是大容量電容的理想選擇?？梢赃x擇等效串聯(lián)電阻為8mΩ的10uF電容，這種電容性?xún)r(jià)