為電池充電器開發(fā)經(jīng)濟(jì)的混合信號充電系統(tǒng)
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圖 2 混合信號電池充電器框圖
混合信號設(shè)計
利用MCP1630作為模擬PWM和驅(qū)動器，可以獲得一個可編程的SEPIC電流源。PWM和驅(qū)動器提供模擬穩(wěn)流功能、MOSFET柵極驅(qū)動以及高速過流保護(hù)。PIC12F683單片機(jī)設(shè)定SEPIC電源開關(guān)頻率(500 kHz)并編程設(shè)定SEPIC恒定輸出電流。
PWM和驅(qū)動器利用單片機(jī)中的硬件PWM來設(shè)定SEPIC開關(guān)頻率和最大占空比。硬件PWM頻率等于SEPIC電源開關(guān)頻率，同時，硬件PWM占空比確定了最大SEPIC電源占空比。單片機(jī)的硬件PWM輸出500 kHz，25%占空比的脈沖將SEPIC開關(guān)頻率設(shè)定為500 kHz，最大占空比75%。標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)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(shè)定SEPIC轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)節(jié)Vref 輸入引腳的電壓就可相應(yīng)調(diào)整電池電流。
PWM和驅(qū)動器能夠以大于 500 kHz的頻率驅(qū)動MOSFET，同時利用一個內(nèi)部高速(典型值為12ns)比較器來監(jiān)測SEPIC開關(guān)電流。如果開關(guān)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(jù)來自ADC的電池電壓和溫度等信息進(jìn)行調(diào)節(jié)。
要進(jìn)入恒壓充電階段，單片機(jī)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(yuǎn)快于恒流充電時的速率。
對于鋰離子電池，當(dāng)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(jié)束。這是利用固件設(shè)定的，并且可以方便地修改以滿足不同電池生產(chǎn)商的推薦值。在典型的模擬充電器中，充電結(jié)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(jié)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(yù)定值?？焖俪潆娊Y(jié)束后，就開始進(jìn)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(dāng)檢測到電池電壓太高時，PIC12F683 中斷代碼可以提供過壓保護(hù)(OV)。SEPIC轉(zhuǎn)換器在不到1ms的時間內(nèi)關(guān)斷，在電池端接端造成的電壓過沖最小。
SEPIC轉(zhuǎn)換器二極管阻止電池向充電器放電。從電池流出的靜態(tài)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(jié)合一個單片機(jī)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(yīng)用的充電器組，異相開關(guān)技術(shù)以及輸入電源預(yù)算功能。
結(jié)語
在開發(fā)電池充電器時采用混合信號方式，可以充分發(fā)揮模擬和數(shù)字兩方面的優(yōu)點?；诨旌闲盘柕脑O(shè)計支持高頻工作(500kHz)、高速保護(hù)(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(tǒng)的可編程數(shù)字功能還可以準(zhǔn)確判斷充電的不同階段并設(shè)定充電電流。
由于可以容易地進(jìn)行電流設(shè)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(shè)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(shù)。
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