利用MCU設計離線鋰電池充電器

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

當開關打開時(如1b所示)，電感試圖通過感應電壓來保持電流流動，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。此過程循環往復。

當通過減少PWM占空比來縮短開關“通”時間時，平均電壓減少。相反，當通過增加PWM占空比來延長開關“斷”時間時，平均電壓增加。故通過控制PWM占空比來使MCU調整充電電壓(或電流)可達到所需的輸出值。

在討論設計細節以前，需先討論與電感及電容有關的兩個要點：

1．電感大小

不難看出，確定降壓轉換器電感的大小是達到合適充電電壓及電流的關鍵。電感大小也與成本有關。電感容量可用公式1來計算：

公式1

其中：Vi：輸入至開關的充電器電壓；

圖5：輸出電壓測試結果
　

Vsat：開關“通”時開關的電壓損失；
Vo：電壓輸出；
T：PWM周期；
DutyCycle：PWM占空比；
Io：電流輸出(亦即恒定電流充電)。

公式1顯示PWM的開關頻率越高(亦即開關周期T越小)，則所需的電感越小，這有助于減少器件成本。

2．電容大小

還需注意的是，此電路中的電容完全是用來減少紋波電流，故越大越好，因為紋波與電容值成反比。

設計要點

本設計基于飛利浦P89LPC916型MCU，其整體設計思想是，通過先用恒定電流充電、然后再用恒定電壓充電來實現盡可能快的充電。MCU還控制用于指示充電器工作狀態的LED。

1．精密電源
　

圖6：輸出電流測試結果

VDD需采用精密電壓源，因為此電壓被用作DA-DA轉換器的電壓參考。低壓降(LDO)調整器為該電壓源的最佳選擇，且本設計采用3端LDO LM1117來為VDD提供精密3.31 V電源。

2．PWM輸出解決方案

Timer0(定時器0)的一個通道用來產生控制降壓轉換器開關的PWM信號。由于LPC916帶有其自己的片上RC振蕩器，故充電更加穩定而有效--尤其在電壓控制工作模式下。所需的PWM頻率僅大約為14kHz，故能很好地控制在片上振蕩器的頻率范圍內。可通過改變降壓轉換器的“開”時間來調整PWM占空比。

系統設計

圖2為鋰電池充電器系統組成框圖。其中PWM輸出控制充電開關，且其占空比可根據需要用充電電壓及電流的反饋來調整。LPC916的8位片上高速A/D轉換器提供了監視充電電壓所需的高精度。避免鋰離子應用中的過充電非常重要，因為將充電保持在其最大值以內可延長電池的使用壽命。表1為該電路的輸入/輸出參數規格。
　

表1：圖2電路的輸入、輸出參數規格
　

下一步是計算電感值，首先必須指出的是，公式1給出了占空比、輸出電流、PWM周期及其他變量之間的關系。電感值可通過假設Vi＝5.1V、所需輸出電壓Vsat＝0.5V(在Io=350mA上，Vo＝4.25V、所需輸出電流Io＝350mA、1/T＝14.7kHz以及占空比為50%來計算)。采用以上這些值，用公式1可計算出電感值不小于10μH。在本設計中，建議電感值為33-10μH。盡管可以采用大于5.1V的輸入電壓，但更高的輸入電壓要求采用更高頻率的PWM或更大的電感，從而使器件成本提高。

鋰電池應以三個獨立的階段來充電。如果電池電壓低于3V，則需要有預充電階段且充電電流應保持為65mA。一旦電池電壓達到3V+-1%，即開始進入快速充電階段，并采用350mA的恒定充電電流。通過調整控制脈沖可使充電電流保持恒定。當電池電壓達到4V+-1%時，即開始接恒定電壓充電階段。此時電壓被保持在4.23V，充電電流處于監視下。

在恒定電壓充電階段之后，電池被另外再充電50分鐘，同時保持充電電流小于30mA。充電時間可用一個計時器來控制，但監視充電終結的方法有三種：檢測充電電流、使用計時器以及監視溫度(可選)。

充電過程如圖3所示。從一個階段進入到另一個階段的準確標志如下：

預充電階段(當需要時)：如果Vbat3.0(1%，則設置Iout=10%；Ireg=65mA；快速充電階段(恒定電流充電)：當Vbat=4.00+-1%V時，設置Iout=Ireg=350mA；計時器控制充電階段(恒定電壓充電)：當Ibat60mA時，設置Vout=Vreg=4.23V(50分鐘)以保證電池充分充電，但使充電電流小于30mA。

充電在4小時內完成。

考慮到最終用戶，設計中采用了LED狀態指示燈，以提供有關充電序列狀態的信息。

設計方案的測試

可用來在充電過程中測試該設計的電路框圖如圖4所示。用兩塊萬用表來測量Vout及Vsense_res讀數。

Vout=Vbat+Vsense_res，充電電流可用公式Iout=Vsense res/0.75來計算。

當充電開始時，每15秒記錄一次數據，但當電流及電壓穩定后，記錄周期可縮短為每5秒記錄一次。

結果可能會隨不同電池的化學特征而變化，而且電池的起始電壓也對結果有影響。圖5及圖6顯示該設計滿足指標。