利用MCU设计离线锂电池充电器

来自PWM的信号控制充电开关。当开关闭合时(图1a)，电流由于充电器提供的电压(充电器Vin)而流过电路，此时电容通过电感充电。

当开关打开时(如1b所示)，电感试图通过感应电压来保持电流流动，但它不能立刻充电。然后电流流过肖特基二极管并给电容充电。此过程循环往复。

当通过减少PWM占空比来缩短开关“通”时间时，平均电压减少。相反，当通过增加PWM占空比来延长开关“断”时间时，平均电压增加。故通过控制PWM占空比来使MCU调整充电电压(或电流)可达到所需的输出值。

在讨论设计细节以前，需先讨论与电感及电容有关的两个要点：

1．电感大小

不难看出，确定降压转换器电感的大小是达到合适充电电压及电流的关键。电感大小也与成本有关。电感容量可用公式1来计算：

公式1

其中：Vi：输入至开关的充电器电压；

图5：输出电压测试结果
　

Vsat：开关“通”时开关的电压损失；
Vo：电压输出；
T：PWM周期；
DutyCycle：PWM占空比；
Io：电流输出(亦即恒定电流充电)。

公式1显示PWM的开关频率越高(亦即开关周期T越小)，则所需的电感越小，这有助于减少器件成本。

2．电容大小

还需注意的是，此电路中的电容完全是用来减少纹波电流，故越大越好，因为纹波与电容值成反比。

设计要点

本设计基于飞利浦P89LPC916型MCU，其整体设计思想是，通过先用恒定电流充电、然后再用恒定电压充电来实现尽可能快的充电。MCU还控制用于指示充电器工作状态的LED。

1．精密电源
　

图6：输出电流测试结果

VDD需采用精密电压源，因为此电压被用作DA-DA转换器的电压参考。低压降(LDO)调整器为该电压源的最佳选择，且本设计采用3端LDO LM1117来为VDD提供精密3.31 V电源。

2．PWM输出解决方案

Timer0(定时器0)的一个通道用来产生控制降压转换器开关的PWM信号。由于LPC916带有其自己的片上RC振荡器，故充电更加稳定而有效--尤其在电压控制工作模式下。所需的PWM频率仅大约为14kHz，故能很好地控制在片上振荡器的频率范围内。可通过改变降压转换器的“开”时间来调整PWM占空比。

系统设计

图2为锂电池充电器系统组成框图。其中PWM输出控制充电开关，且其占空比可根据需要用充电电压及电流的反馈来调整。LPC916的8位片上高速A/D转换器提供了监视充电电压所需的高精度。避免锂离子应用中的过充电非常重要，因为将充电保持在其最大值以内可延长电池的使用寿命。表1为该电路的输入/输出参数规格。
　

表1：图2电路的输入、输出参数规格
　

下一步是计算电感值，首先必须指出的是，公式1给出了占空比、输出电流、PWM周期及其他变量之间的关系。电感值可通过假设Vi＝5.1V、所需输出电压Vsat＝0.5V(在Io=350mA上，Vo＝4.25V、所需输出电流Io＝350mA、1/T＝14.7kHz以及占空比为50%来计算)。采用以上这些值，用公式1可计算出电感值不小于10μH。在本设计中，建议电感值为33-10μH。尽管可以采用大于5.1V的输入电压，但更高的输入电压要求采用更高频率的PWM或更大的电感，从而使器件成本提高。

锂电池应以三个独立的阶段来充电。如果电池电压低于3V，则需要有预充电阶段且充电电流应保持为65mA。一旦电池电压达到3V+-1%，即开始进入快速充电阶段，并采用350mA的恒定充电电流。通过调整控制脉冲可使充电电流保持恒定。当电池电压达到4V+-1%时，即开始接恒定电压充电阶段。此时电压被保持在4.23V，充电电流处于监视下。

在恒定电压充电阶段之后，电池被另外再充电50分钟，同时保持充电电流小于30mA。充电时间可用一个计时器来控制，但监视充电终结的方法有三种：检测充电电流、使用计时器以及监视温度(可选)。

充电过程如图3所示。从一个阶段进入到另一个阶段的准确标志如下：

预充电阶段(当需要时)：如果Vbat3.0(1%，则设置Iout=10%；Ireg=65mA；快速充电阶段(恒定电流充电)：当Vbat=4.00+-1%V时，设置Iout=Ireg=350mA；计时器控制充电阶段(恒定电压充电)：当Ibat60mA时，设置Vout=Vreg=4.23V(50分钟)以保证电池充分充电，但使充电电流小于30mA。

充电在4小时内完成。

考虑到最终用户，设计中采用了LED状态指示灯，以提供有关充电序列状态的信息。

设计方案的测试

可用来在充电过程中测试该设计的电路框图如图4所示。用两块万用表来测量Vout及Vsense_res读数。

Vout=Vbat+Vsense_res，充电电流可用公式Iout=Vsense res/0.75来计算。

当充电开始时，每15秒记录一次数据，但当电流及电压稳定后，记录周期可缩短为每5秒记录一次。

结果可能会随不同电池的化学特征而变化，而且电池的起始电压也对结果有影响。图5及图6显示该设计满足指标。