一種混合信號通用電池充電器設計

　　策略和方法

　　對混合信號的設計采用分兩部分的方式，首先選擇單片機，用于讀取電池組狀態(電壓和溫度)，并對SEPIC穩壓器輸出電流編程，本文選擇使用PIC12F6838引腳閃存單片機。然后，再選擇內置MOSFET驅動器的高速模擬PWM控制器(如MCP1630)，組成“模擬”可編程電流源。

　　設計SEPIC可編程電流源

　　與所有開關式穩壓器設計一樣，輸出是通過改變占空比，或開關導通時間的比例(Q1，見圖2)來控制的。為穩定流入電池的電流，必須檢測充電電流。如圖2所示，電流檢測元件并沒有與電池串聯。SEPIC穩壓器次級繞組Ls承載平均輸出電流。初級繞組Lp承載平均輸入電流。次級電阻Rs用來檢測電池充電電流。高速模擬PWM參考輸入則決定電池充電電流。

　　圖 2 混合信號電池充電器框圖

　　混合信號設計

　　利用MCP1630作為模擬PWM和驅動器，可以獲得一個可編程的SEPIC電流源。PWM和驅動器提供模擬穩流功能、MOSFET柵極驅動以及高速過流保護。PIC12F683單片機設定SEPIC電源開關頻率(500 kHz)并編程設定SEPIC恒定輸出電流。PWM和驅動器利用單片機中的硬件PWM來設定SEPIC開關頻率和最大占空比。硬件PWM頻率等于SEPIC電源開關頻率，同時，硬件PWM占空比確定了最大SEPIC電源占空比。單片機的硬件PWM輸出500 kHz，25%占空比的脈沖將SEPIC開關頻率設定為500 kHz，最大占空比75%。標準單片機I/O引腳利用簡單的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設定SEPIC轉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。通過調節Vref 輸入引腳的電壓就可相應調整電池電流。 PWM和驅動器能夠以大于 500 kHz的頻率驅動MOSFET，同時利用一個內部高速(典型值為12ns)比較器來監測SEPIC開關電流。如果開關電流太大，PWM占空比就會為0，從而限制電池電流。

　　最后，充電電流還將根據來自ADC的電池電壓和溫度等信息進行調節。要進入恒壓充電階段，單片機的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。這一過程的電池電壓變化速率遠快于恒流充電時的速率。對于鋰離子電池，當維持電池電壓為4.2V所需要的電流降低到一定值(100mA)時，充電周期結束。這是利用固件設定的，并且可以方便地修改以滿足不同電池生產商的推薦值。在典型的模擬充電器中，充電結束電流是充電周期電流的一定比例，因此不容易改變。對鎳氫電池，快速充電階段結束時，需要滿足下面一個條件或同時滿足兩個條件：電池電壓保持恒定或隨著時間下降，或者電池組溫度高于預定值?？焖俪潆娊Y束后，就開始進行定時涓流浮充。ADC輸入和電池組熱電偶相配合可以檢測電池溫度。通過讀出“TEMP_SENSE”輸入端的電壓，可以確定電池溫度。當檢測到電池電壓太高時，PIC12F683 中斷代碼可以提供過壓保護(OV)。SEPIC轉換器在不到1ms的時間內關斷，在電池端接端造成的電壓過沖最小。SEPIC轉換器二極管阻止電池向充電器放電。從電池流出的靜態電流只有電池電壓檢測一個通道，此時的電流大小通常不到5 mA。

　　可選的特性

　　此外，結合一個單片機和多個高速模擬PWM模塊還可以增加更多功能，例如針對多組電池充電應用的充電器組，異相開關技術以及輸入電源預算功能。

　　結語

　　在開發電池充電器時采用混合信號方式，可以充分發揮模擬和數字兩方面的優點。基于混合信號的設計支持高頻工作(500kHz)、高速保護(12ns,從電流檢測到輸出)，并可將濾波器件的尺寸縮到最小。此外，系統的可編程數字功能還可以準確判斷充電的不同階段并設定充電電流。 由于可以容易地進行電流設置和編程，因此，通過固件就可以支持新的電池充電方法，這種設計并不僅僅適用于鋰離子和鎳氫電池，同時還可通過編程支持未來的可充電技術。