• 发布日期：2015-09-17
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本文中，将举例说明如何使用锂离子技术来实现电池充电器。锂离子电池充电器通常采用恒流(CC恒压(CV充电曲线。充电过程会经历几个不同的阶段，确保电池容量充溢的同时要符合特定的平安规则。CC-CV曲线包括以下几个阶段：

1.预充

2.激活

3.恒流

4.恒压

充电开始为预充阶段，以检查电池状况是否良好。此阶段中，通常给电池提供电池容量5%15%少量电流，如果电池电压上升到2.8V以上，则认为电池状况良好，可以进入到激活阶段。此阶段中，给电池提供相同的电流，但会持续更长的时间。当电池电压上升到3V以上，则启动快充，并提供等于或低于电池容量的恒定电流。当电池电压上升到完全充电电压(4.2V时或出现超时情况(不管哪一种情况先出现)恒流阶段结束。电池电压到达完全充电电压时，充电进入到恒压阶段，且电池电压坚持恒定。要做到这一点，充电电流必需随着时间的推移而降低。这一阶段的充电过程相比于其它充电阶段而言所需的时间最长。这个过程中，当充电电流降到结束电流”限度以下，通常为电池容量的2%则电池充满，充电过程结束。请注意，充电过程中每个阶段都有一个时间限制，这是一个重要的平安特性。

图1锂离子电池充电曲线

为了实施这一充电曲线，必需随时了解电池电压和充电电流。此外，还要检查电池的温度。因为在充电时，电池往往会变热。如果温度逾越电池的规定限额，就可能对电池造成损害。

就电池充电器的实现方案而言，用户可有两个选择。一是采用专门的电池充电器IC二是采用更加通用的微控制器。第一种方案能快速解决问题，但其可配置性和用户界面选项(LED指示灯)有限。第二种方案采用微控制器，设计的时间会稍微长一些，但能提供可配置性选项，并且还能集成其它功能，如电池充电状态(SOC计算以及通过通讯接口向系统中的主机处置器发送信息等。此外，微控制器不能提供充电器所必需的电源电路系统，而且还需要外部BJT或MOSFET不过这些电源组件的利息相比于微控制器或专门的充电器IC而言要低得多。

充电器架构

从充电曲线可以看出，单节锂离子电池充电器需要可控的电流源。电流源输出应当根据电池状态而改变。考虑到上述要求，基于微控制器的实施方案需要以下功能模块：

1.电流控制电路

2.电池参数(电压、电流、温度)丈量电路

3.充电算法(用于实现CCCV充电曲线)

方案框图如下所示：

图2锂离子电池充电器框图

电流控制电路可采用电压源和电流反馈技术进行构建。其工作原理类似于典型的负反馈控制系统。允许充电电流通过小电阻以获得反馈，从而发生一定的电压。

电压源可采用两种方法进行创立：

1.线性拓扑结构

2.开关：降压或升压拓扑结构

线性拓扑结构采用线性模式的串联导通元件(BJT或MOSFET如图3所示。

图3线性拓扑结构

通过控制串联导通晶体管Q1偏置实现对充电电流的控制。可使用数模转换器(ADC或脉宽调制器(PWM配合外部RC低通滤波器来控制偏置。线性方法适用于充电电流(<1A 较低的情况，因为串联导通元件会面临功率消耗问题。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/272055.htm

开关拓扑结构自身具有低功耗的优势，能实现较高的充电电流。基于开关降压调节器的充电器如图4所示。

图4开关降压调节器拓扑结构

充电电流由驱动MOSFETPWM占空比而设定。

电池参数丈量电路：反馈信号需要使用ADC进行丈量，目前大多数微控制器均可提供ADC外设。图3和图4中，看到如何获取电池电压和电流反馈。然而，这些差分信号需要差分ADC进行丈量，而通常在微控制器中采用的单端ADC图4和图5所示的电路通过让微控制器接地和电源接地不同，可方便地加以修改，从而为电压、电流和温度等所有3个参数生成单端信号。

图5采用单端ADC进行丈量

电池负端可作为微控制器接地，这就让电压、温度和电流反馈可参考微控制器接地，并能进行单端ADC丈量。对于电流反馈而言，正偏移电压需要引入，而反馈电压在电池充电时将为负。如图5所示，电阻R3和R4提供了所需的偏移电压。

充电算法：这一行为将结束环路。CPU读取ADC以获取电压、充电电流和温度读数，并根据充电曲线控制PWM占空比。CPU监控ADC结果与控制PWM速度取决于环路响应时间和CPU带宽消耗二者之间如何平衡。

ADC参数和PWM分辨率：ADC分辨率和精确度以及PWM分辨率是设计电池充电器时应考虑到重要参数。ADC分辨率定义了输入电压丈量的精度(这里是指反馈电压)PWM分辨率则定义了改变输出信号占空比的精度，这进而又决定了电流控制电路的输出电压。锂离子电池充电时，电池电压需要实现准确和高精度的控制。当电池电压接近充溢状态时，这一点就显得尤为重要。可控性取决于ADC分辨率、丈量的准确度以及占空比变化的细粒度。

图5给出了采用赛普拉斯CY8C24x23PSoC器件实施的充电器架构示例。微控制器与通用数字和模拟模块配合使用，可配置为特定的电路功能。举例来说，继续时间模拟模块可用来实施可编程增益放大器和比较器。开关电容模拟模块则有多种不同用途，包括滤波器、数模转换器(DA C和模数转换器(ADC等。数字基础模块可用来实施PWM计数器、定时器和缓冲器，而数字通讯模块则可用来实施SPIUA RTIrDA RX和TX等通信接口。此外，该器件还可提供I2C模块，可用作为主设备或从设备。

图6所示为单节电池充电器应用的器件资源消耗情况，看到还有足够的数字和模拟模块能够实施其它有用的功能，这就为系统提供了更多的集成选项，从而有助于降低系统利息和大小。

图6采用PSoC1CY8C24x23实施方案