【導(dǎo)讀】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(huì)經(jīng)歷幾個(gè)不同的階段，在確保電池容量充滿的同時(shí)要符合特定的安全規(guī)則。文中將舉例說明如何使用鋰離子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電池充電器。
CC-CV曲線包括以下幾個(gè)階段：
1. 預(yù)充
2. 激活
3. 恒流
4. 恒壓
充電開始為預(yù)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(rèn)為電池狀況良好，可以進(jìn)入到激活階段。在此階段中，給電池提供相同的電流，但會(huì)持續(xù)更長的時(shí)間。當(dāng)電池電壓上升到3V以上，則啟動(dòng)快充，并提供等于或低于電池容量的恒定電流。
當(dāng)電池電壓上升到完全充電電壓(4.2V) 時(shí)或出現(xiàn)超時(shí)情況(不管哪一種情況先出現(xiàn))，恒流階段結(jié)束。電池電壓到達(dá)完全充電電壓時(shí)，充電進(jìn)入到恒壓階段，且電池電壓保持恒定。要做到這一點(diǎn)，充電電流必須隨著時(shí)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(shí)間最長。在這個(gè)過程中，當(dāng)充電電流降到“結(jié)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(jié)束。請(qǐng)注意，充電過程中每個(gè)階段都有一個(gè)時(shí)間限制，這是一個(gè)重要的安全特性。
圖1：鋰離子電池充電曲線
為了實(shí)施這一充電曲線，必須隨時(shí)了解電池電壓和充電電流。此外，還要檢查電池的溫度。因?yàn)樵诔潆姇r(shí)，電池往往會(huì)變熱。如果溫度超過電池的規(guī)定限額，就可能對(duì)電池造成損害。
就電池充電器的實(shí)現(xiàn)方案而言，用戶可有兩個(gè)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(xiàng)(LED指示燈)有限。第二種方案采用微控制器，設(shè)計(jì)的時(shí)間會(huì)稍微長一些，但能提供可配置性選項(xiàng)，并且還能集成其它功能，如電池充電狀態(tài)(SOC)計(jì)算以及通過通訊接口向系統(tǒng)中的主機(jī)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?qū)ｉT的充電器IC 而言要低得多。
充電器架構(gòu)
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(yīng)當(dāng)根據(jù)電池狀態(tài)而改變。考慮到上述要求，基于微控制器的實(shí)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(cè)量電路
3. 充電算法(用于實(shí)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(shù)進(jìn)行構(gòu)建。其工作原理類似于典型的負(fù)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(chǎn)生一定的電壓。
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電壓源可采用兩種方法進(jìn)行創(chuàng)建：
1. 線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
2. 開關(guān)：降壓或升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用線性模式的串聯(lián)導(dǎo)通元件(BJT或MOSFET)，如圖3所示。
圖3：線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
通過控制串聯(lián)導(dǎo)通晶體管Q1的偏置實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流的控制。可使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)或脈寬調(diào)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?yàn)榇?lián)導(dǎo)通元件會(huì)面臨功率消耗問題。
開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)較高的充電電流。基于開關(guān)降壓調(diào)節(jié)器的充電器如圖4所示。
圖4：開關(guān)降壓調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
充電電流由驅(qū)動(dòng)MOSFET的PWM占空比而設(shè)定。
電池參數(shù)測(cè)量電路：反饋信號(hào)需要使用ADC進(jìn)行測(cè)量，目前大多數(shù)微控制器均可提供ADC外設(shè)。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(hào)需要差分ADC進(jìn)行測(cè)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(gè)參數(shù)生成單端信號(hào)。
圖5：采用單端ADC進(jìn)行測(cè)量
電池負(fù)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(jìn)行單端ADC測(cè)量。對(duì)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(shí)將為負(fù)。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(jié)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(jié)果與控制PWM的速度取決于環(huán)路響應(yīng)時(shí)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(shè)計(jì)電池充電器時(shí)應(yīng)考慮到的重要參數(shù)。ADC分辨率定義了輸入電壓測(cè)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(hào)占空比的精度，這進(jìn)而又決定了電流控制電路的輸出電壓。鋰離子電池充電時(shí)，電池電壓需要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和高精度的控制。當(dāng)電池電壓接近充滿狀態(tài)時(shí)，這一點(diǎn)就顯得尤為重要。可控性取決于ADC分辨率、測(cè)量的準(zhǔn)確度以及占空比變化的細(xì)粒度。
圖5給出了采用賽普拉斯CY8C24x23 PSoC器件實(shí)施的充電器架構(gòu)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(shí)間模擬模塊可用來實(shí)施可編程增益放大器和比較器。開關(guān)電容模擬模塊則有多種不同用途，包括濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 等。數(shù)字基礎(chǔ)模塊可用來實(shí)施PWM、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器和緩沖器，而數(shù)字通訊模塊則可用來實(shí)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(shè)備或從設(shè)備。
圖6所示為單節(jié)電池充電器應(yīng)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?qū)嵤┢渌杏玫墓δ埽@就為系統(tǒng)提供了更多的集成選項(xiàng)，從而有助于降低系統(tǒng)成本和大小。
圖6：采用PSoC 1 (CY8C24x23)的實(shí)施方案
