可編程性在電池充電器的集成電路中實(shí)現(xiàn)

正是用戶手指底下無數(shù)個(gè)看不見的可編程器件使得手持設(shè)備變得如此便利和有趣。這些手持設(shè)備配備的電池容量足可以滿足在一個(gè)小孩的注意力集中的時(shí)間段或一個(gè)工作日的使用，因此只要電池有機(jī)會(huì)重新充電就可以讓人們周而復(fù)始地享受它帶來的樂趣。一些更高級(jí)設(shè)備中的充電器更是具有強(qiáng)大的可編程能力，這些充電器不僅可以縮短充電周期，還能延長電池的使用壽命。

如今，充電器可編程能力的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了手持設(shè)備的上述的這兩個(gè)基本要求，在監(jiān)視充電電壓和電流的同時(shí)，充電器還能隨時(shí)監(jiān)測電池溫度，精確地控制電池充電速度，從而實(shí)現(xiàn)最佳的電池容量恢復(fù)和安全性。充電器還在電池的使用過程中連續(xù)地監(jiān)視電池電壓，不僅可以在電池電壓較低時(shí)予以提醒，還能告訴用戶在電池必須充電之前還可以使用的剩余時(shí)間。

這種可編程性主要在位于設(shè)備內(nèi)的電池充電器的集成電路中實(shí)現(xiàn)，充電器可以與管理設(shè)備工作過程的半專用微處理器交流它獲得的一些信息，關(guān)閉系統(tǒng)中不用的或空閑的部分，從而有效地延長電池使用時(shí)間。

雖然這種智能充電器會(huì)給手持設(shè)備帶來明顯的好處，但也不能忽視作為最基本形式的獨(dú)立充電器，在有意或無意缺少微處理器控制的場合這些獨(dú)立充電器將是電池維護(hù)的主要力量。對這些場合必須引起重視，因?yàn)橛捎谀承┰蛱幚砥鲗o法智能地控制充電器，此時(shí)充電器必須要有一定的自立能力。比如，電池接近耗盡而使微處理器沒有足夠的工作電壓這種情況就是需要充電器“自立”的情況之一。

另外一種情況是由于某種非破壞性故障從內(nèi)部切斷了電池組與處理器的聯(lián)系。此時(shí)由外部充電設(shè)備直接供電的充電器必須能夠在沒有微處理器的幫助的情況下，在最短的可能時(shí)間內(nèi)繼續(xù)安全地按電池化學(xué)特性規(guī)定的嚴(yán)格充電要求正確地給耗盡或開路的電池充電。

在根據(jù)手持設(shè)備使用環(huán)境粗略地定義了相對理想的電池充電器后，讓我們把注意力轉(zhuǎn)移到外部充電設(shè)備。隨著工作的進(jìn)一步深入，電氣工程背景逐漸失去作用，因?yàn)樵谝?guī)定好電壓和電流要求后，我們發(fā)現(xiàn)最困難的就是選擇封裝、電纜長度等任務(wù)。

當(dāng)然，上述情況是假設(shè)充電設(shè)備是由交流電源供電或汽車中的充電適配器二次供電的。主要希望充電器設(shè)計(jì)能夠經(jīng)受得住偶然的過充考驗(yàn)。設(shè)計(jì)經(jīng)過了少許的修改后不僅可以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，還能防止電池過壓。另外一個(gè)可用于手持設(shè)備充電的設(shè)備是計(jì)算機(jī)上的USB端口。USB端口可以輸出高達(dá)500mA的恒定電流，僅需一根線纜就可建立USB端口和手持設(shè)備的電池之間的充電回路。

許多計(jì)算機(jī)上有豐富的USB端口，因此USB端口已經(jīng)成為充電設(shè)備的首選方案，而交流供電的墻體插座則是第二種選擇方案。即使電腦只有一個(gè)USB端口也沒有問題，因?yàn)樵摱丝谝仓皇窃谏陷d照片和下載MP3等場合用一用。當(dāng)然，也不能忽視墻體插座的重要性，但與USB端口比起來，墻體插座有許多缺點(diǎn)，至少會(huì)發(fā)生額外的不必要的費(fèi)用。最便宜的墻體插座由50Hz的變壓器、整流橋和濾波電容組成，整流器輸出電壓特性相當(dāng)差，就像交流電壓一樣。增加線性整流器可以改良整流效果，但會(huì)增加功耗?？傊涣鞴╇姷牡投顺潆娫O(shè)備雖然便宜，但體積大、效率低。高端交流適配器由于使用開關(guān)方式供電，因此體積較小、效率也較高，但成本有較大幅度地提高，并且還具有傳導(dǎo)和幅射問題。如果要滿足FCC和其它管理機(jī)構(gòu)的要求，還會(huì)進(jìn)一步增加體積和成本。

由于許多人都擁有個(gè)人電腦，工作場所電腦也是無所不在，因此最終的低成本充電解決方案肯定是USB端口。對經(jīng)常往返兩地的人員來說，只需要為車輛增加一根充電線纜和現(xiàn)成的連續(xù)充電源。下面將具體介紹電池充電器，以及如何獲得最大容量充電器而又不違反USB端口最大的載荷規(guī)定。

具有供電能力的USB端口可以輸出5V電壓和高達(dá)500mA的電流。使用充電電流為常數(shù)500mA的線性充電器時(shí)，容量為1,000mAh的電池只需2個(gè)小時(shí)就能充滿。使用開關(guān)模式充電器可以進(jìn)一步提高效率、減少無源器件的尺寸。圖1是通用的鋰離子電池充電曲線。

圖1：鋰電池的可編程充電曲線

值得注意的是，預(yù)充電流只是正常充電電流的一小部分，只有等電池電壓超過浮充電壓后才能用滿充電流代替預(yù)充電流對電池進(jìn)行充電。

開關(guān)型充電器必須以盡可能高的頻率工作才能維持其高效率和SMD電感與電容的小型化。集成式的電源開關(guān)可以進(jìn)一步減小充電器體積和成本，并提供特定的一些性能優(yōu)勢，如每個(gè)周期的電流限制和電流模式控制。否則，如果開關(guān)位于集成式充電器外部的話成本會(huì)高出很多。雖然集成平均充電電流檢測電路非常有吸引力，但最好還是在充電控制器的外部實(shí)現(xiàn)，可直接與電池串聯(lián)。

與低成本熱敏電阻一起構(gòu)成的溫度傳感可以為電池帶來額外的保護(hù)和更長的壽命。通過增加與充電器之間的二線接口通信，可以向用戶提供充電/檢測參數(shù)的可編程配置，同時(shí)形成了需要的可以從USB端口工作的智能充電器，可以按預(yù)先確定的、可編程的預(yù)充和滿充速率給電池充電。

即使在設(shè)備關(guān)斷后，可編程性能仍然有效。這可以利用板上EEPROM來實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過I2C接口和Windows GUI接口對其進(jìn)行編程?？删幊绦阅馨ǔ潆娺^程中的一些關(guān)鍵參數(shù)，如預(yù)充電流、預(yù)充到快充的轉(zhuǎn)換電壓、快充電流、快充到減充轉(zhuǎn)換電壓、充電終止電流和浮充電壓設(shè)置。

還有一些旨在通過終止充電過程來防止電池受損的輔助設(shè)置，如預(yù)充超時(shí)、快充超時(shí)以及低溫/高溫告警設(shè)置點(diǎn)。溫度可以通過3個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)值的熱敏電阻加以監(jiān)視，每個(gè)熱敏電阻都對應(yīng)著一個(gè)唯一的恒定電流?？梢酝ㄟ^I2C命令或可編程極性使能端來激活充電過程。狀態(tài)輸出引腳端可以被編程為閃爍或穩(wěn)態(tài)的開路漏極低電平信號(hào)，以指示電池正在充電。

電池和充電器狀態(tài)可以通過I2C接口讀取。狀態(tài)包括空閑、預(yù)充、快充和充電結(jié)束等充電器狀態(tài)，以及電池沒裝、過壓或欠壓、過溫和欠溫等電池狀態(tài)。用戶也可以通過該二線接口獲得三個(gè)充電階段的充電定時(shí)器狀態(tài)。另外，充電控制器經(jīng)過編程可以自動(dòng)開始另一個(gè)再充電循環(huán)，并能通知用戶目前的充電循環(huán)是否是控制器開始工作后的第一次循環(huán)，或控制器開始工作后的充電循環(huán)是否已經(jīng)結(jié)束。

一旦電池選定后就可以開始實(shí)際的設(shè)計(jì)工作。本案例選擇的是一個(gè)滿充電壓為4.2V、容量為1,000mAh的鋰電池。選用USB端口作為充電電源并要求盡可能快地對電池進(jìn)行充電。為了方便設(shè)計(jì)，可以運(yùn)行如圖2所示的Windows GUI工具，并通過點(diǎn)擊上面的“標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置”按鈕獲得需要用戶設(shè)置的所有參數(shù)。

圖2：通過Windows GUI可以方便地對充電參數(shù)進(jìn)行編程

為了防止USB端口輸出電流超過限值，根據(jù)最大充電電流規(guī)定，可以將充電電流定為稍小于USB最大輸出電流減去電池充電器本身和外圍電路偏置電路所需的數(shù)十毫安電流。參考GUI工具可以發(fā)現(xiàn)450mA是非常理想的充電電流，即使再加上偏置電路的消耗，也不會(huì)超過USB端口允許的最大輸出電流限定值。充電電流檢測電阻選用100mΩ。

雖然充電器電流可以設(shè)得再高一點(diǎn)，但要考慮充電器工作電流和其它外圍支持電路(如上拉電阻和可視LED指示器)的電流消耗，必須留有余量以確保USB端口最大輸出電流不被超過。在完成完整的充電曲線后，將預(yù)充和終止電流分別設(shè)在100mA和25mA。同時(shí)選擇100uA/10k的熱敏電阻以增加熱保護(hù)功能，浮充和預(yù)充到快充的門限分別設(shè)為4.2V和3.0V。

下一步選擇開關(guān)電感和大容量輸出電容。電感的選擇標(biāo)準(zhǔn)是在所選的1.25MHz開關(guān)頻率上來處理20%~25%的紋波電流。L的數(shù)值根據(jù)下式進(jìn)行粗略的計(jì)算：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可選用15uH的電感。具有低等效串聯(lián)電阻的陶瓷電容是大容量電容的理想選擇?？梢赃x擇等效串聯(lián)電阻為8mΩ的10uF電容，這種電容性價(jià)比高，其容量足夠用來濾波紋波電壓，而該紋波電壓為流經(jīng)電感器的紋波電流和等效串聯(lián)電阻的乘積。在輸入端增加一個(gè)大容量電容和一個(gè)旁路電容、為充電器偏置引腳增加一對旁路電路即可完成整個(gè)設(shè)計(jì)。

USB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輸入大電容的值，原則上是USB端口電壓在熱插撥時(shí)下降幅度不允許超過規(guī)定值。充電器偏置電容用來維持內(nèi)部電壓參考和模擬電路的完整性。增加一個(gè)500mA、10V的肖特基飛輪二極管，并使用簡單的RC與充電器互導(dǎo)放大器組合對開關(guān)電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償，從而進(jìn)一步穩(wěn)定工作狀態(tài)。

利用二線串行數(shù)據(jù)接口并在低級(jí)別微處理器的幫助下，充電器可以極大地?cái)U(kuò)展它的用途。當(dāng)電池供應(yīng)商發(fā)生變化時(shí)，可以通過串行接口重新定義充電曲線以及目前為止電池維護(hù)所需的所有其它參數(shù)，不需要更換充電器或改變?nèi)魏瓮獠吭?。切換到圖3所示的GUI中的“狀態(tài)/控制”欄，可以發(fā)現(xiàn)大量可以在充電過程中由微處理器讀取并作出反應(yīng)的易失性狀態(tài)和故障寄存器。

圖3：顯示充電狀態(tài)的狀態(tài)和故障寄存器。命令寄存器開始/終止充電

充電過程可以如圖所示那樣開始或結(jié)束。還有其它一些操作，包括將充電器切換到USB集線器工作模式，此時(shí)工作電流為100mA。圖4給出了帶二線串行接口的電池充電器的完整原理圖。

圖4：用戶可編程USB供電的開關(guān)模式鋰電充電器原理圖

技術(shù)創(chuàng)新又一次獲得成功，因?yàn)橛糜谠鰪?qiáng)PC功能的那些器件現(xiàn)在可以用作許多種手持設(shè)備的電池充電源。USB端口通信能力也進(jìn)一步提升了充電器的性能，使充電器從最初的獨(dú)立型充電器發(fā)展成智能的只需附帶一根價(jià)格低廉的USB線纜的全功能擴(kuò)展充電平臺(tái)。

現(xiàn)在仍然是家庭中常見設(shè)備的笨重的交流適配器，將變成電池供電設(shè)備的可選附屬設(shè)備，而將主導(dǎo)地位讓位于更受歡迎的USB充電器。