用充電器芯片構成電池充電系統(tǒng)

摘要：本文概括了采用MAXIM 充電器芯片對通用的化學電池進行充電的普遍要求。內(nèi)容主要包括：系統(tǒng)級的權衡比較，固化軟件的設計要點。關鍵詞：充電器、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鉛酸電池

　　在過去的五年中，由于便攜式設備的市場壓力已經(jīng)使簡單的電池充電器發(fā)展成能夠在30 分鐘將高性能電池充電結束的復雜的開關模式的系統(tǒng)。這一發(fā)展趨勢已經(jīng)脫離了短短幾年前所倡導的內(nèi)嵌的單機運行的充電器芯片的發(fā)展方向。而且這些現(xiàn)行的芯片內(nèi)部具有相當?shù)闹悄?，能夠?qū)Ω咝阅茈姵剡M行復雜的快速充電。今天的電池充電器系統(tǒng)采用隨處可得的單片微處理器的智能來調(diào)節(jié)充電器的充電電流和電壓。在大批量的應用中，采用這種方法可以降低成本，而且允許充電器針對具體的應用具有最大的靈活性。原來充電過程所有必需的智能算法是駐留在電池充電器控制芯片內(nèi)部，現(xiàn)在系統(tǒng)設計人員則須采用某種充電算法，編寫相應的固化軟件。本文提供了采用MAXIM 充電器芯片構成充電器系統(tǒng)一些必要的信息和背景材料。

（一）、電池充電技術概述

　　目前實際使用的4 種化學電池是：鎳鎘電池，鎳氫電池，鉛酸電池和鋰離子電池。針對這4 種化學可充電電池的通用充電器狀態(tài)流程圖如圖一所示，電池的快速充電分為以下幾個階段：

　　雖然初始化本身并不對電池充電，但卻是整個充電過程很重要的一步。充電器在此階段對自身進行初始化和自檢。充電器在對電池充電過程中可能由于電源故障而中斷，接著重新初始化。如果電池不是智能電池或某種能夠記憶時間標志的儲存體。我們就無法知道系統(tǒng)已經(jīng)重新初始化過了。大多數(shù)充電器在一次電源故障后，會進行一次完全的初始化。如果電池不允許過充電，充電器可以執(zhí)行一段特別的自檢程序以確定電池是否已經(jīng)充過電。例如如果充電器上電過程中有電池插在充電器上，則必須觸發(fā)這樣一個自檢操作。

　　初始化在好幾種情況下會帶來過充電問題。例如一個固定時間方式的充電器固定不變地對電池充電4 小時，如果在電池已經(jīng)充了3 小時59 分鐘電的時候，電源出了問題。充電器在重新初始化后，對電池開始了另外4 個小時的充電，導致電池過充電4 個小時。如此的過充電會損壞電池。這也是固定時間充電法很少采用的原因之一。這一例子也說明了充電器為什么要檢測電池溫度或采用別的終止充電的方法作為后備措施的原因。

　　充電器在這一階段檢查充電器上是否裝上了電池以及電池是否可以充電。檢查充電器上是否裝上了電池通常是通過斷開充電電源檢測充電器端子電壓來實現(xiàn)的。但這種方法帶來的問題是當電池使用過度的時候，幾乎沒有電壓可供測試。作為替換的方法是充電器尋找熱電阻或是短路跳針來做判斷，而不是尋找電池本身。這一功能也可以用來識別電池組，智能電池。在另一方面，可以實現(xiàn)與電池組大量的數(shù)據(jù)交換。交換的數(shù)據(jù)通常是通過系統(tǒng)管理總線提供的必需的電池充電參數(shù)，系統(tǒng)管理總線與I2C 總線類似。

　　一旦充電器確認電池裝上后，就開始確認電池是否是好的，在這一階段，充電器對電池的基本性能進行檢查：開路，短路，熱或冷，試一下電池是否可充，部分充電器特別是鉛酸電池充電器向電池施加一個比較小的充電電流（約為正常充電電流的1/5），使得電池在固定的時間內(nèi)達到某一個特定的電壓值。這一技術的應用避免了充電器錯誤地將深度放電的鉛酸電池認為是不可充的電池。在得到電池生產(chǎn)商許可的情況下，這一方法也可以運用于其他性質(zhì)的化學電池。

　　對電池和環(huán)境溫度的檢查也是電池鑒定的一部分，當充電器檢測到一個不正常的高溫或低溫的時候，通常等待一個預定的時間間隔期望溫度返回到額定值。若溫度在預定的時間內(nèi)沒有返回，則充電器將降低充電電流，進而降低電池的溫度，提高電池的充電效率。最后要檢測電池是否開路或短路，電池的開路很容易檢測，但短路電池的測試結果需要確認以避免錯誤的指示結果。若所有的這些檢查通過那么可以對電池開始充電，如圖一所示，狀態(tài)前進一步。

 
圖一、通用充電器狀態(tài)流程圖

　　部分充電器（主要是針對鎳鎘電池）包括一個可選擇的預處理階段。在預處理階段，電池在放電前需進行完全的放電。完全放電使每節(jié)電池的電壓降低到一伏以下消除電極中的樹枝狀的結晶組織，樹枝狀的結晶組織會引起人們稱呼得不太正確的記憶效應。這種所謂的記憶效應實質(zhì)上是指出現(xiàn)了會降低電池使用時間的樹枝狀結晶組織，但是一個完整的充放電過程有時可以消除這一問題。在每次充電前或通過負載測試或別的什么方法指示電池的容量尚余一半以上時可以進行預處理預處理的時間從1到10 個小時不等。通常不推薦在一小時內(nèi)將電池的電放光，快速發(fā)電增加了負載電阻散熱的困難。但通常也不推薦大于10 個小時的預處理時間。除非當檢測到鎳鎘電池具有與記憶效應相混淆的容量降低時，可以人工啟動大于10 小時的預處理，故系統(tǒng)設計者應避免在充電器上設置初始化按鈕以防止這種操作。

　　具體電池所采用的快速充電及終止方法取決于電池的化學機理和其他的設計因數(shù)，下面的討論包含了目前通用化學電池中廣泛采用的快速充電技術。至于特別的規(guī)則或推薦方法，請向電池生產(chǎn)商的應用部門咨詢。

　　NiCd 和NiMH 電池的充電過程非常相似，差別主要在快速充電的終止檢測方法上。在每種情況下，充電器對電池進行恒流充電同時監(jiān)測電池的電壓和其他參數(shù)以決定何時終止充電。充電可以采用超過2C 的速率。但采用的最多的是C/2 速率。因為充電效率一般小于100%，故以C/2 的速率充滿一個電池需要2 個小時多一點的時間。

　　在恒流方式充電時，電池電壓會緩慢地上升達到一個峰值（斜率為0 的一個點），NiMH 電池的充電須在這個峰值點終止，而鎳鎘電池的充電則須在峰值點后當電池電壓第一次下降了一個-∆V 的某個點終止，如果在電池充電終止之后繼續(xù)對電池進行充電會最終損壞電池。

　　當充電速率大于C/2（這樣充電時間將小于2 小時）時，充電器也要監(jiān)測電池的溫度和電壓。因為當電池快要充滿電的時候，電池的溫度會急劇上升。監(jiān)測溫度提供了另一種電池充電終止技術，這種基于正溫度斜率的終止方法叫∆T 終止法。包括充電時間，最大電池電壓在內(nèi)的其他因素也可以用來終止充電，一個設計完善的充電器通常通過這些因素的綜合來終止充電。

圖二、充電速率為C/2 時Nicd 電池的充電特性

圖三、Li+電池電壓與充電電流

　　鋰離子電池的充電方法不同于鎳基材料的化學電池它采用頂點截止法充電以保證安全地將最多的能量儲存在電池中。鋰離子電池充電器提供一個穩(wěn)定精度超過0.75%的充電電壓,最大充電速率由充電器的電流極限范圍確定,跟實驗室用的穩(wěn)壓電源很相似(圖3)。當快速充電開始的時候，電池電壓較低，充電電流即為充電器電流極限，隨著充電的繼續(xù)進行，電池電壓緩慢上升，最終當每節(jié)電池的電壓達到浮空電壓值4.2V 時，充電電流快速下降。

　　當電池電壓達到浮空電壓時，充電器即可終止充電。但這忽略了頂端截止操作。一種備用的方法是當電池達到浮空電壓時啟動一個定時器，然后在一個固定的延時后終止充電。另一種方法是檢測充電電流，當充電電流跌落到一個下限值時終止充電典型值是限流值的5%，某些生產(chǎn)商推薦高一點的100 毫安的下限值）。頂端截止就是采用這樣的技術。

 
　　在過去的幾年里，鋰離子電池，充電器都得到了改進，對電池的化學機理也有了進一步的了解。早期的鋰離子電池具有影響安全的不足之處，但今天設計良好的系統(tǒng)不會出現(xiàn)這些問題。盡管生產(chǎn)商的推薦各種各樣，鋰離子電池確實在持續(xù)不斷地發(fā)展。

　　鉛酸電池一般采用限流法或者是更簡單的限壓法進行充電。限壓法的方式與鋰離子電池的充電法很相似，但不需要那么高的精度。他要求限流電壓源的電壓值比電池的浮空電壓（約2.45V）略高一點.

　　在預處理操作確保電池可以充電時,充電器即開始電池進行快速充電,直到充電電流降低到最小值時終止快速充電(這一過程與鋰離子電池充電器很相似),轉入浮充狀態(tài)對電池充電(浮充電壓一般為2.2V)。鉛酸電池允許長時間地進行浮充。

　　當溫度升高時，鉛酸電池的快充電流應該以每升高一度降低0.3%的速率降低。鉛酸電池快充的最高推薦溫度為50℃，但浮充不受這一溫度的限制。

充電

　　所有化學電池的充電器通常包含一個可選的頂端截止階段。這階段是在快速充電結束后，再以適當?shù)某潆婋娏魇闺姵爻錆M電（這一操作與給汽車油箱加油很類似，當泵自動停止以后，再用小流量給油箱補滿油）。當電池電壓溫度，時間達到某一極限值時，頂端截止階段結束。在一般情況下，頂端截止階段可以延長電池5%到10%的使用時間。這里要特別提醒的是電池這時已經(jīng)充滿電或者接近充滿電，過充會損傷電池。

　　（針對所有化學電池的充電器通常包含一個可選的涓流充電狀態(tài)，這一階段用于補償電池的自放電。鉛酸電池自放電的速度最高每天有幾個百分點的自放電），鋰離子電池的自放電速度最低。所以不需要對鋰離子電池進行涓流充電。鎳鎘電池涓流充電的速率一般為C/16。鎳氫電池的安全連續(xù)電流一般為C/50。但一般不推薦對鎳氫電池進行涓流充電。

　　涓流充電的另一種形式是脈沖涓流充電。充電器提供幅度為C/8 的低占空比的脈沖涓流，典型的平均涓流值為C/512。對兩種鎳基電池進行脈沖涓流充電都很適合于采用微機進行開關量控制。

（二）、通用充電系統(tǒng)在考慮如何設計一個實用的充電線路時，設計者應該先了解充電器的基本模塊和特點。所有的快速充電器在形式上應包含這些功能模塊：一般來自墻上插座的未經(jīng)穩(wěn)壓的直流大功率電源，充電電壓和充電電流的控制信號，對于廉價的充電器，電壓電流調(diào)整器件通常是功率晶體管或其他能夠?qū)㈦姽霓D化為熱的線性器件也可以是降壓型的開關電源，降壓型的開關電源內(nèi)部若采用二極管，則工作效率一般，如采用同步整流技術，工作效率最高。

　　圖6 中的模塊中表示了各種測控功能，模擬電流控制回路限制電池的最大充電電流，電壓控制回路保持了電池充電電壓的恒定（注：鋰離子電池對充電電壓的要求較高）。

　　充電器的電流電壓特性曲線可以全部程控設定，或在限壓的條件下程控設定電流（或相反）。通常要測試電池的溫度，當溫度高于某個閾值，或溫度變化速率超過某個閾值時，終止充電。充電器也測量充電時間，通常采用智能模塊計算這一充電時間。智能模塊提供系統(tǒng)所需的全部智能，實現(xiàn)前面提到的狀態(tài)機，它知道應該何時以何種方法終止快速充電。單機運行的充電器芯片內(nèi)部包含了這些智能算法也可將這些智能算法駐留在微處理機中或充電器的其他硬件模塊中。正如前面所提到的那樣，目前采用的較多的后一種結構。

　圖六、通用充電系統(tǒng)框圖

（三）、MAXIM 充電器用集成電路概述：

　　MAXIM 生產(chǎn)范圍廣泛的單機運行和控制器型的電池充電器集成電路，集成電路的多樣性可以讓設計人員在性能特性和成本之間權衡折衷。表1按照產(chǎn)品推出的順序列出了這些適用于化學電池充電的集成電路，在上面的是最新推出的產(chǎn)品。

 
　　選擇線性調(diào)節(jié)方式還是選擇開關調(diào)整方式是一個很重要的設計決策。線性模式成本較低，但他會消耗功率而發(fā)熱。對一個大的臺式充電器來說發(fā)熱也許不會是一個問題，但是對筆記本電腦這樣的小系統(tǒng)，發(fā)熱卻是無法接受的。同步整流方式的調(diào)壓器的效率最高（在90%左右），這一特點使之能夠適用于象蜂窩電話這類小體積的系統(tǒng)。非同步整流方式的調(diào)節(jié)電路的效率一般。另外大部分的線性器件也可以應用于中等效率的不常推薦的開關模式

　　充電器的自身獨立工作的性能也是一個設計決策問題，例如單機運行的充電器本身內(nèi)部就什么都有了象MAX712/713,MAX2003,MAX2003A 連用戶終端設備使用的LED 輸出的控制信號都提供了。

　　另一些器件可以單機運行也可以和數(shù)模轉換器，微處理機一起工作。這一類包括MAX1640/MAX1641，MAX846A 和MAX745。MAX1640,主要打算用在鎳基電池充電上的集成限壓電流源，內(nèi)部包括一個充電定時器和脈沖涓流充電線路。它具備單機運行的特點，也可以與高效的同步開關調(diào)壓器，低價位的標準開關器件合起來使用。

　　MAX846A 和MAX745 都可以單機運行對鋰離子電池進行充電。他們內(nèi)部包含通用控制器所必需的高精度基準源和獨立的電壓，電流控制回路。MAX846A 采用線性工作模式，MAX745 是同步開關模式。雖然他們都可以單機運行，但一般都和微處理機合用。微處理機對充電過程進行有限的控制?？刂芁ED 及快速充電的終止一般由軟件來完成，MAX846A 內(nèi)部包含一個線性調(diào)壓器及微處理機用的CPU 復位輸出信號。最靈活的器件是MAX1647 和MAX1648，除了MAX1647 具有內(nèi)部的DAC 和SMBus 串行接口，MAX1648 具有電壓，電流模擬量控制接口外，他們基本相似，MAX1647 是一個具有獨立的電壓，電流寄存器的完整的接受串行數(shù)據(jù)控制的直流電源，可以和智能電池進行SMBus 通信，符合Intel/Duracell 智能電池的Level 2 標準。

（四）、采用微處理機設計點滴：

　　充電器一般采用象8051, PIC, 68HC 11或68HC05 之類廉價的8 位單片機。固化軟件可以用匯編編寫，也可以用C 編寫。兩種語言較易獲得，價格低廉而且有免費的開發(fā)工具，其他相關組織及這些器件的生產(chǎn)商已經(jīng)成套提供了編譯器，匯編器，仿真器和代碼庫，庫源代碼的大部分內(nèi)容特別是工具箱中的程序可以從WWW 網(wǎng)址上獲得。

　　所有通用的8 位單片機都可以用在充電器中，但如何選擇某一具體的單片機超出了本文的范圍。這些單片機內(nèi)部可以具有諸如AD,DA,SMBus 串行接口之類的外設器件，但是需要外部AD,DA 的簡化型微處理器也很有用，這些簡化型的單片機通常更加靈活好用。充電器對ROM 和RAM 的要求中等。在一般情況下，單一電池種類的充電器的代碼段不超過0.5KB, RAM 只要32 字節(jié)（對低檔的PIC 單片機來說都是很簡單的要求）。巧妙一點增加大約50% 的代碼，就可以編寫出針對多種化學電池的通用程序。

　　開發(fā)單片機程序代碼的最簡單的途徑是從一個框架或一小段相似的代碼入手，逐漸修改至適合你的要求，這樣有了快速工作的原型，克服了許多空白點，編譯/匯編錯誤。不幸的是網(wǎng)上只有有限數(shù)量的電池充電器軟件，而且都是針對標準應用的。盡管如此，“硬件和軟件設計范例”還是提供了一個起點，參閱“參考文獻”尋找更難的工具程序的某些信息。例如SMBus 通信和數(shù)學程序，及解釋說明這些設計的程序設計示例。

（五）、充電器程序結構點滴：
　
　　編寫電池充電器的軟件最直接的方法是采用狀態(tài)機定義一個狀態(tài)變量或一組代表目前狀態(tài)的標志。這樣代碼段就成為根據(jù)狀態(tài)變量動作的大的因果動作。代碼模塊根據(jù)當前狀況修改狀態(tài)變量的值，不允許的或無法解釋的狀態(tài)會帶來潛在的問題。所有的“當”判斷都必須有默認值以剔除這些不允許的或不可能的狀態(tài)修正他們。程序中要一直包含檢查這些狀態(tài)的功能，在異常情況下，自動停止充電器的動作。

　　編寫程序時保持代碼簡單易懂，盡可能避免采用多重中斷，復雜的多任務或排隊結構。采用單一的定時器中斷是保存時間變量的最有效的方法。若CPU 有帶中斷的定時器，則用他來保存系統(tǒng)定時標志。這一功能強大的技術是非中斷原則的一個例外。若CPU 沒有定時器中斷（例如PIC16C5X），則采用查詢系統(tǒng)定時器RTC 的方法，在設計程序代碼時保證定時器在兩次查詢之間不會溢出即可。

　　避免使用硬件中斷，而在定時器觸發(fā)設置的固定時間間隔內(nèi)去輪詢硬件輸入。代碼可以實時地執(zhí)行，但是不必對外部激勵立即作出反應。確認電池是否裝上要花費100 毫秒的時間是完全可以接受的?？紤]到電池充電需要一個小時，單機運行的典型性能是每分鐘計算一次以決定是否終止充電。

　　這些程序的簡單實用的結構是定時循環(huán)。主程序檢查其本身或定時器中斷服務程序設置的定時器標志，調(diào)用執(zhí)行所需多重任務的子程序。部分子程序每一個循環(huán)都執(zhí)行，另一部分子程序每“n”個循環(huán)或觸發(fā)才執(zhí)行一次?；镜挠|發(fā)時間可以是100 毫秒。例如周期為0.5S 的閃光程序每5 次觸發(fā)被調(diào)用一次以改變LED 的狀態(tài)。而溫度越限探測器在每次循環(huán)都檢查一次溫度。結果程序的結構就變得非常魯棒。

　　對于沒有定時器中斷的微處理器，定時循環(huán)可以用程序本身來實現(xiàn)。使用他們本身的執(zhí)行時間來保持系統(tǒng)的定時。

（六）、硬件失效保護：

　　最后一個推薦是考慮采用帶有看門狗定時器和硬件失效保護功能的微處理器監(jiān)控電路。監(jiān)控電路的復位功能在系統(tǒng)上電時給系統(tǒng)提供一個干凈的系統(tǒng)復位信號?？撮T狗定時器可以發(fā)現(xiàn)失控的CPU 和錯誤的軟件死循環(huán)，MAXIM 也生產(chǎn)某些簡單的溫度測控產(chǎn)品，象溫度開關MAX6501就構成了一個特別好的備份系統(tǒng)。這些SOT-23 封裝的器件當芯片的溫度穿越固定的溫度門檻時會改變他們的輸出電平。

　　監(jiān)控電路對充電器來說特別重要。因為充電器的不斷上電掉電會讓CPU 失步。舉個例子，假如處理器失控而不能終止快速充電，那結果可能是災難性的。系統(tǒng)必須包含溫度傳感器或別的硬件使得快速充電在沒有軟件的參與下終止快速充電。