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使用鋰離子技術實現電池充電器 - 全文

2012年07月30日 15:48 eet-china 作者:秩名 用戶評論(0

  本文中,我們將舉例說明如何使用鋰離子技術來實現電池充電器。鋰離子電池充電器通常采用恒流(CC) — 恒壓(CV)充電曲線。充電過程會經歷幾個不同的階段,在確保電池容量充滿的同時要符合特定的安全規則。CC-CV曲線包括以下幾個階段:

  1. 預充

  2. 激活

  3. 恒流

  4. 恒壓

  充電開始為預充階段,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,則認為電池狀況良好,可以進入到激活階段。在此階段中,給電池提供相同的電流,但會持續更長的時間。當電池電壓上升到3V以上,則啟動快充,并提供等于或低于電池容量的恒定電流。當電池電壓上升到完全充電電壓(4.2V) 時或出現超時情況(不管哪一種情況先出現),恒流階段結束。電池電壓到達完全充電電壓時,充電進入到恒壓階段,且電池電壓保持恒定。要做到這一點,充電電流必須隨著時間的推移而降低。這一階段的充電過程相比于其它充電階段而言所需的時間最長。在這個過程中,當充電電流降到“結束電流”限度以下,通常為電池容量的2%,則電池充滿,充電過程結束。請注意,充電過程中每個階段都有一個時間限制,這是一個重要的安全特性。

  使用鋰離子技術實現電池充電器(電子工程專輯)

  圖1:鋰離子電池充電曲線

  為了實施這一充電曲線,必須隨時了解電池電壓和充電電流。此外,還要檢查電池的溫度。因為在充電時,電池往往會變熱。如果溫度超過電池的規定限額,就可能對電池造成損害。

  就電池充電器的實現方案而言,用戶可有兩個選擇。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(LED指示燈)有限。第二種方案采用微控制器,設計的時間會稍微長一些,但能提供可配置性選項,并且還能集成其它功能,如電池充電狀態(SOC)計算以及通過通訊接口向系統中的主機處理器發送信息等。此外,微控制器不能提供充電器所必需的電源電路系統,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專門的充電器IC 而言要低得多。

  充電器架構

  我們從充電曲線可以看出,單節鋰離子電池充電器需要可控的電流源。電流源輸出應當根據電池狀態而改變。考慮到上述要求,基于微控制器的實施方案需要以下功能模塊:

  1. 電流控制電路

  2. 電池參數(電壓、電流、溫度)測量電路

  3. 充電算法(用于實現CC—CV充電曲線)

  方案框圖如下所示:

  使用鋰離子技術實現電池充電器(電子工程專輯)

  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進行構建。其工作原理類似于典型的負反饋控制系統。允許充電電流通過小電阻以獲得反饋,從而產生一定的電壓。

  電壓源可采用兩種方法進行創建:

  1. 線性拓撲結構

  2. 開關:降壓或升壓拓撲結構

  線性拓撲結構采用線性模式的串聯導通元件(BJT或MOSFET),如圖3所示。

  使用鋰離子技術實現電池充電器(電子工程專輯)

  圖3:線性拓撲結構

  通過控制串聯導通晶體管Q1的偏置實現對充電電流的控制。可使用數模轉換器ADC)或脈寬調制器(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,因為串聯導通元件會面臨功率消耗問題。

  開關拓撲結構本身具有低功耗的優勢,能實現較高的充電電流。基于開關降壓調節器的充電器如圖4所示。

  使用鋰離子技術實現電池充電器(電子工程專輯)

  圖4:開關降壓調節器拓撲結構

  充電電流由驅動MOSFET的PWM占空比而設定。

  電池參數測量電路:反饋信號需要使用ADC進行測量,目前大多數微控制器均可提供ADC外設。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,這些差分信號需要差分ADC進行測量,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個參數生成單端信號。

  使用鋰離子技術實現電池充電器(電子工程專輯)

  圖5:采用單端ADC進行測量

  電池負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,并能進行單端ADC測量。對于電流反饋而言,正偏移電壓需要引入,而反饋電壓在電池充電時將為負。如圖5所示,電阻R3和R4提供了所需的偏移電壓。

  充電算法:這一行為將結束環路。CPU讀取ADC以獲取電壓、充電電流和溫度讀數,并根據充電曲線控制PWM占空比。CPU監控ADC結果與控制PWM的速度取決于環路響應時間和CPU帶寬消耗二者之間如何平衡。

  ADC參數和PWM分辨率:ADC分辨率和精確度以及PWM分辨率是在設計電池充電器時應考慮到的重要參數。ADC分辨率定義了輸入電壓測量的精度(這里是指反饋電壓)。PWM分辨率則定義了改變輸出信號占空比的精度,這進而又決定了電流控制電路的輸出電壓。鋰離子電池充電時,電池電壓需要實現準確和高精度的控制。當電池電壓接近充滿狀態時,這一點就顯得尤為重要。可控性取決于ADC分辨率、測量的準確度以及占空比變化的細粒度。

  圖5給出了采用賽普拉斯CY8C24x23 PSoC器件實施的充電器架構示例。微控制器與通用數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,持續時間模擬模塊可用來實施可編程增益放大器比較器。開關電容模擬模塊則有多種不同用途,包括濾波器、數模轉換器(DAC)和模數轉換器(ADC) 等。數字基礎模塊可用來實施PWM、計數器、定時器和緩沖器,而數字通訊模塊則可用來實施SPI、UART、IrDA RX和TX等通信接口。此外,該器件還可提供I2C模塊,可用作為主設備或從設備。

  圖6所示為單節電池充電器應用的器件資源消耗情況,我們看到還有足夠的數字和模擬模塊能夠實施其它有用的功能,這就為系統提供了更多的集成選項,從而有助于降低系統成本和大小。

  使用鋰離子技術實現電池充電器(電子工程專輯)

  圖6:采用PSoC 1 (CY8C24x23)的實施方案

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( 發表人:辰光 )

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