多功能IC可實現(xiàn)獨立于化學(xué)成分的電池充電

快速移動的電池技術(shù)給設(shè)計人員提出了一個問題：是選擇最新技術(shù)以獲得最大性能，還是為了成熟、更可靠的技術(shù)而犧牲性能。獨立于化學(xué)成分的電池充電器的出現(xiàn)有助于解決這個問題。

鑒于現(xiàn)代系統(tǒng)中電池類型和充電要求的混合，獨立于化學(xué)成分的充電器是使用和維護便攜式設(shè)備的人的歡迎工具。此類充電器檢測已安裝的電池類型并相應(yīng)地調(diào)整充電程序。

獨立于化學(xué)成分的充電器還有其他幾個好處。例如，它們使OEM能夠跟上電池開發(fā)的步伐，而無需昂貴的硬件更改。它們還允許用戶升級產(chǎn)品的電池而不是購買設(shè)備。此外，對于與智能電池系統(tǒng) （SBS） 規(guī)范兼容的系統(tǒng)，充電器、電池和主機的指定標(biāo)準(zhǔn)接口為用戶提供了任何 SBS 兼容電池的選擇。

大多數(shù)可以為多種電池類型充電的充電器必須能夠?qū)⑵漭敵鎏匦詮碾妷涸崔D(zhuǎn)換為電流源。它們還必須能夠監(jiān)控電池的充電電流和電壓，在某些情況下，還可以監(jiān)控電池的溫度和充電時間。

考慮充電要求

目前最常用的電池是鎳鎘、鎳氫（NiMH）、鋰離子（Li-ion）和鉛酸。鎳鎘和鎳氫類型需要使用恒流電壓源充電。為了確定何時應(yīng)終止充電，充電器必須檢測電池電壓 （dV/dt） 或溫度 （dT/dt） 的變化。鋰離子電池和鉛酸電池需要使用電壓限制電流源充電，這些類型的充電器必須包括一個計時器，該計時器在指定的時間間隔后終止充電。這些應(yīng)用中的電流源精度通常并不重要，但對于鋰離子電池，限壓精度必須優(yōu)于1%。

需要在電壓源和電流源之間切換命令是有問題的，因為要求相互沖突：充電器的輸出阻抗對于電壓源應(yīng)該很低，而對于電流源應(yīng)該很高，從而導(dǎo)致對穩(wěn)定的要求不同。這種能力很難在單個電路中實現(xiàn)。

另一方面，穩(wěn)定性通常并不重要，因為充電器的輸出電壓和電流在正常的充電周期中變化緩慢。但是，如果充電器的輸入源看到負(fù)載變化，導(dǎo)致其輸出出現(xiàn)紋波或階躍變化，就像廉價的壁式立方體電源一樣，那么環(huán)路穩(wěn)定性的妥協(xié)可能會導(dǎo)致電池充電電壓或電流出現(xiàn)過大的紋波。這個問題對于鋰離子電池來說很嚴(yán)重，因為鋰離子電池需要對施加的電壓有嚴(yán)格的公差。如果鋰離子電池的充電電壓過低，則電池不會充滿電。如果太高，電池會永久損壞，這就是為什么鋰離子電池制造商通常指定充電電壓精度優(yōu)于1%的原因。

檢測電壓和溫度

對于鎳鎘和鎳氫電池，確定何時終止充電周期的首選方法是監(jiān)測電池電壓的變化。對于鎳鎘電池，端電壓在充電時保持相對恒定，然后在電池充滿電時達到峰值并下降。因此，當(dāng) dV/dt 變?yōu)樨?fù)值時，鎳鎘電池應(yīng)終止充電。鎳氫電池應(yīng)在dV/dt等于零時終止;它們的行為類似于NiCd類型，但電壓下降得更慢。作為確定充電結(jié)束的備用措施，鎳鎘和鎳氫電池的制造商通常建議監(jiān)測電池的溫度和電壓。

為鋰離子電池和鉛酸電池充電需要充電器先施加恒定電流，然后施加恒定電壓。充電器監(jiān)控電池電壓，以確定何時進行此切換。鋰離子或鉛酸電池充電器還必須監(jiān)控電池電壓，以盡量減少充電器向電池施加調(diào)節(jié)電壓的時間，因為延長的“浮動”間隔會損壞這些電池。因此，充電器必須對所有四種電池類型的電池電壓進行采樣，以確定鎳鎘和鎳氫類型的充電結(jié)束時間，以及鉛酸和鋰離子類型從電流到電壓調(diào)節(jié)的切換。

創(chuàng)建智能充電器

為了控制充電，所有獨立于化學(xué)成分的電池充電器都需要某種形式的“智能”駐留在電池或充電器中。例如，微控制器使“智能充電器”能夠確定電池類型并根據(jù)需要修改其充電程序。

電池組本身不需要智能;它只需要一種方法來通知充電器其化學(xué)類型和電池數(shù)量。電池組可以使用電池組上的鍵控連接器或充電器可以讀取的存儲代碼來提供此信息。無論哪種方式，充電程序都可以駐留在軟件中，安裝新的電池類型只需更新軟件即可。因此，充電器可以容納充電器首次亮相時不可用的電池類型。

將充電程序提交到軟件還允許制造商通過軟件升級來延長其產(chǎn)品的使用壽命。例如，消費者可以通過簡單地安裝電池升級附帶的軟件升級來升級電池組。軟件還允許制造商在構(gòu)建電池供電產(chǎn)品時在不更改硬件的情況下升級電池類型。

充電控制 IC 和 μC 構(gòu)成智能充電器

您可以構(gòu)建具有低成本μC的智能充電器（如PIC16C73）和獨立于化學(xué)成分的電池充電器控制器（如MAX846）（圖1）。在這種情況下，用戶已預(yù)設(shè)充電控制器（IC1） 用于為鋰離子電池充電。集成電路1具有一個精度為 0.5% 的內(nèi)部基準(zhǔn)，可生成內(nèi)部預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)電壓（單節(jié)電池為 4.2V;兩節(jié)電池為 8.4V），控制器驅(qū)動充電電壓和電流。

圖1.一個簡單的獨立于化學(xué)成分的電池充電器結(jié)合了微控制器、IC1，帶電池充電控制器，IC2，采用線性調(diào)節(jié)。

PIC16C73 μC， 集成電路2，包括 PWM 輸出 CCP1和中共2.CCP 的過濾版本2驅(qū)動芯片1的 V設(shè)置用于控制電壓設(shè)定點的引腳。中共1PWM 輸出通過設(shè)置 I 上的電壓來控制電池電流設(shè)置.使用可通過其 AN 訪問的內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器1引腳，μC 通過測量 IC 電壓方面的電流來監(jiān)控電池電流1的 I設(shè)置針。μC 通過讀取由 R 驅(qū)動的內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器來監(jiān)控電池電壓5/R6分壓器。

μC的工作頻率為4MHz，為了達到所需的精度，其PWM輸出頻率為25kHz。每個PWM輸出驅(qū)動一個RC濾波器，后接一個單位增益運算放大器緩沖器。一個依賴于基準(zhǔn)電壓源的3.3V低壓差穩(wěn)壓器為μC（兩者均位于IC內(nèi)部1），因此μC的PWM輸出跟蹤該基準(zhǔn)電壓源。以這種方式為μC供電可提高精度，因為這種方法會導(dǎo)致PWM輸出跟蹤基準(zhǔn)電壓的變化。

V處的電壓設(shè)置（集成電路引腳 61），通過一個 20kΩ 電阻連接到內(nèi)部 1.65V 基準(zhǔn)，確定充電器的電壓限值。該電壓是來自μC的CCP的濾波PWM輸出2輸出，等于 3.3V 乘以 CCP2的占空比，D2:

充電器的電壓限制為 V

限制可在 V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)調(diào)整后，其中 R 的值

1在圖1中（825kΩ）使該調(diào)整范圍約為4.7%。

通過設(shè)置 CELL 的狀態(tài)2， 芯片的引腳 101，用戶將標(biāo)稱電壓限制設(shè)置為 4.2V 或 8.4V，使充電器與單節(jié)或兩節(jié)鋰離子電池兼容。較小的調(diào)整范圍使充電器能夠適應(yīng)制造商建議的限制。限制 V調(diào)整后至V的約10%限制確保浮動電壓的精度為 1%，即使使用 R 的 1% 電阻也是如此1.

該充電器還可以處理鎳鎘和鎳氫電池，因為它們不需要浮動電壓。這些類型所需的最大充電電壓通常為每節(jié)電池 1.75V。因此，圖1所示的充電器可以處理多達四節(jié)電池的鎳鎘或鎳氫電池。

電流由 IC 提供1的 I設(shè)置PIN控制充電電流。電流檢測電阻兩端每毫伏的電流等于 1μA，R2.終止 I設(shè)置用電阻產(chǎn)生電壓，將該電壓調(diào)節(jié)到1.65V調(diào)節(jié)充電電流。R 的 20kΩ 值3和 R4設(shè)置 I設(shè)置阻抗為 10kΩ，空載電壓設(shè)置為 3.3 x D1，其中 D1是中共1占空比。充電電流如下：

此關(guān)系將充電電流設(shè)置為零時 CCP1占空比為1，當(dāng)輸出保持高電平時。當(dāng)占空比為零時，電路提供最大充電電流。因此，最大電流為 0.165/R2= 825mA。

處理溫度影響

雖然作為獨立充電器很好，但圖1中的布置可能不適合便攜式設(shè)備，因為pnp晶體管中的功耗會產(chǎn)生溫升。該耗散等于充電電流乘以輸入電壓和電池電壓之差的乘積。通過使用開關(guān)電源（圖 2），可以最大限度地減少這種麻煩的溫升，開關(guān)電源的效率更高，允許從輸入電壓降壓到電池電壓，功耗更低，因此溫度更低。如圖1所示，PIC16C73 μC控制與化學(xué)無關(guān)的充電器（MAX1648）。μC 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入，AN0，通過電阻分壓器 R 監(jiān)控電池電壓4/R5，μC 的 PWM 輸出設(shè)置充電電流和電壓限值。

圖2.用開關(guān)模式控制器代替圖1中的線性穩(wěn)壓器控制器，可以產(chǎn)生相對高效的電路，其較低的工作溫度使其可以作為便攜式系統(tǒng)的一部分工作。

為了達到鋰離子電池所需的 1% 精度，該系統(tǒng)包括一個 0.2%、4.096V 外部基準(zhǔn) IC3.此基準(zhǔn)設(shè)置 IC 的充電電平1以及通過三個SPDT模擬開關(guān)IC2.為避免基準(zhǔn)電壓負(fù)載過大，從而影響PWM輸出精度，μC從IC內(nèi)部的5V VL穩(wěn)壓器接收電源1而不是來自引用。如圖1所示，μC的工作頻率為4MHz，PWM輸出的工作頻率為25kHz。

低通濾波器（R1/C1） 產(chǎn)生通過 IC 控制充電電壓的直流電壓1的 SETV 輸入。類似的濾波器產(chǎn)生直流電壓以控制SETI輸入端的充電電流，還包括一個1至4分壓器（R2/R3），以建立基準(zhǔn)電壓的四分之一所需的電平。精度為 5% 的電阻足以滿足 10% 精度的充電電流要求。

最大充電電壓限制為基準(zhǔn)電壓的四倍，即 16.384V。允許的最大充電電流取決于0.1Ω檢流電阻和IC內(nèi)部的檢流門限1（0.185V）： 0.185V/0.1Ω = 1.85A.充電器操作取決于 THM（引腳 9）的電壓，而 THM 又取決于 IC 中頂部開關(guān)的位置2，其中μC的RA1輸出控制。將THM連接到熱敏電阻會導(dǎo)致IC1在電池溫度過高或過低時關(guān)閉。將 THM 接地可關(guān)閉充電器。

智能電池

在SBS中為電池充電所需的信息存在于電池組本身中，電池組通過控制充電器來實現(xiàn)正確的充電順序。因此，充電器和主機系統(tǒng)不需要知道電池的類型或充電狀態(tài)。智能充電器是不必要的，但電池組必須是智能的。因此，SBS中的電池組“知道”它所需的充電算法。該組通過SMBus與充電器“對話”，SMBus是I2在系統(tǒng)內(nèi)提供通信的 C 總線。此配置適用于與 SBS 規(guī)范兼容的電池和設(shè)備。

圖3所示的電池充電器IC（MAX1647）是用于智能電池充電器的控制器，具有與智能電池規(guī)格兼容的SMBus接口。在從輸入電壓降壓至所需電壓或電流時，IC分別從DH和DL輸出為兩個外部MOSFET（開關(guān)晶體管和同步整流器）提供驅(qū)動。開關(guān)模式控制器的效率高于線性型控制器，同步整流器在電池電壓較低時比二極管整流器效率更高。這些效率的提高使電路的工作溫度最小化，從而針對便攜式設(shè)備進行優(yōu)化。

圖3.符合智能電池系統(tǒng)規(guī)范的化學(xué)無關(guān)電池充電器包括化學(xué)無關(guān)的充電器控制IC和SMBus接口。

為了達到必要的精度，線性電流源產(chǎn)生1mA至31mA的充電電流。當(dāng)開關(guān)模式電流源導(dǎo)通以提供更高的充電電流時，該線性源保持導(dǎo)通以確保單調(diào)性。Q1通過降低大部分I來最小化電池充電器IC的功耗外電壓。

審核編輯：郭婷