【導(dǎo)讀】便攜式電子設(shè)備（無(wú)論是個(gè)人電子，遠(yuǎn)程科學(xué)儀器，還是簡(jiǎn)單的車庫(kù)手電筒）都有一個(gè)共同點(diǎn)：電池?？梢允擎囨k電池，鎳氫電池，鋰電池，或任何其他可充電電池。本文將討論一種靈活的電池充電系統(tǒng)，其可以應(yīng)用于各種電壓，化學(xué)成分，和充電特性的電池。
當(dāng)使用不同的電池容量給多種電池充電時(shí)，在不同的充電階段，電池電壓可能高于或低于電源電壓。因此需要電源電壓升壓或降壓來(lái)匹配電池電壓。例如，當(dāng)3.3伏的電源電壓給一節(jié)鎳氫電池(通常是1.25 V)充電時(shí)需要降低。當(dāng)給鋰電池(4.1 V)充電時(shí)，則需要升高輸入電壓。要處理這種情況，主充電路徑要選擇為單端初級(jí)電感變換器(SEPIC)。開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換具備比較大范圍的降壓和升壓能力，可以提供靈活的供電電壓。
這篇文章將會(huì)以兩種不同的可充電電池—鎳氫電池(NiMH)和鋰電池(Li-Ion)為例進(jìn)行介紹。這兩種化學(xué)物質(zhì)的電池需要不同的充電特性，但這兩者都能容易的使用相同靈活的充電結(jié)構(gòu)為我們服務(wù)。從一種電池切換到另一種既靈活又簡(jiǎn)單，可以用微控制器在軟件上實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)計(jì)模塊化的充電子系統(tǒng)，把功能封裝到各種組件，根據(jù)系統(tǒng)需求，同樣的應(yīng)用程序可以使用不同的微控制器實(shí)現(xiàn)。組件的使用簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，這里輸入和/或輸出可以是硬件和/或軟件。這種方法使得開發(fā)者可以把電池充電功能作為一個(gè)額外特色加到主應(yīng)用中，如馬達(dá)控制，準(zhǔn)確醫(yī)學(xué)測(cè)量等。
電池充電器必須要確定電池狀態(tài)(如電壓、電流、溫度)并控制充電電流。確定電池狀態(tài)的硬件是通用的。電池電壓可以高于或低于微控制器的輸入范圍，因此，電壓測(cè)量通常是使用一個(gè)電阻分壓電路來(lái)弱化電壓。電流測(cè)量可以在高端(要進(jìn)入電池的電流)，或低端 (從電池出來(lái)的電流)，如果是SEPIC變換器，在二次側(cè)電感使用一個(gè)電阻。電池通常有一個(gè)嵌入式熱敏電阻，其提供精確電池溫度狀態(tài)。有時(shí)在一些商業(yè)電池上為了降低成本就把它省掉了。在這種情況下，可以在接觸電池的外部放置一個(gè)熱敏電阻。
在此基礎(chǔ)上測(cè)量的參數(shù)，電池充電電流由微控制器確定并控制。從充電器的角度來(lái)看，不同化學(xué)成分電池的主要區(qū)別是充電特性。鋰和鎳氫電池的充電特性如圖1所示
圖1：鋰電池和鎳氫電池的充電特性
如圖1所示，電流由微控制器控制，電池的電壓和溫度會(huì)發(fā)生變化。鋰電池使用恒流恒壓充電。通常電池容量一般用 “CA”表示。在啟動(dòng)階段，如果電池電壓低于恒流閾值（Vrapid_start)，充電器供應(yīng)少量電流(大約0.1 CA)。這是預(yù)處理階段，電池電壓隨著這個(gè)小充電電流逐漸增加。當(dāng)電壓達(dá)到快速充電閾值，充電電流由微控制器增加到約1 CA。這是恒流階段，這個(gè)階段一直持續(xù)到電池電壓達(dá)到指定電壓(Vfull)。然后電池充電器進(jìn)入恒壓階段，這時(shí)充電電流較小，而電池電壓維持在Vfull。電流降低一直到結(jié)束，同時(shí)保持電池電壓，電池充電終止。在整個(gè)充電過程電池電流會(huì)有幾個(gè)°C的變化。如果有任何一個(gè)電池狀態(tài)（電壓、電流或溫度）超出充電器相應(yīng)規(guī)定范圍，為了安全，充電器都會(huì)停止充電。
鎳氫電池的前兩個(gè)充電階段類似于鋰電池：激活電流(0.2 CA)和恒定電流(1 CA)。鎳氫電池的恒流階段結(jié)束由電池電壓下降(并降溫)來(lái)檢測(cè)，而電流是不變的。電壓下降后，鎳氫充電進(jìn)入充電頂峰關(guān)閉階段，這時(shí)電流減少到滴流水平(大約0.05 CA)。在這個(gè)階段，會(huì)有一段時(shí)間的少量充電電流一直到充電結(jié)束。
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基于上述充電需求，可以使用狀態(tài)機(jī)（帶預(yù)定義的電壓、電流、溫度、超時(shí)值）大大簡(jiǎn)化電池充電。電池狀態(tài)和需要為電池充電提供的電流數(shù)量由微控制器狀態(tài)機(jī)來(lái)控制。用于這兩種類型的電池充電的簡(jiǎn)化狀態(tài)機(jī)如圖2所示。這個(gè)框圖顯示了充電的不同階段。
圖2：充電過程不同階段框圖
根據(jù)選擇的電池化學(xué)物質(zhì)，微控制器檢查特定的電池狀態(tài)機(jī)并控制充電電流。電池充電曲線可預(yù)編程，預(yù)啟動(dòng)，或自動(dòng)決定。對(duì)于前兩種，電池類型是由用戶選擇的。在預(yù)編程中，電池充電類型需要在組件中選擇，軟件和微控制器根據(jù)所需的充電曲線編程。這種類型應(yīng)用于電池充電作為現(xiàn)有產(chǎn)品的一個(gè)額外功能的情況下。在這種應(yīng)用中，電池類型是已知的，或不同類型的電池用于相同產(chǎn)品的不同版本。
在預(yù)啟動(dòng)中，微控制器既有電池充電曲線又有要實(shí)現(xiàn)的充電曲線選擇，通過條件控制完成。這個(gè)控制可以簡(jiǎn)單成一個(gè)開關(guān)位置在啟動(dòng)期間選中。自動(dòng)決定是由微控制器啟動(dòng)后完成的，通過檢測(cè)電池類型選擇充電器充電曲線。例如，一節(jié)鎳氫電池典型的工作電壓范圍是0.9 V ~ 1.25 V之間，而一節(jié)鋰電池電壓范圍是2.7V ~ 4.2 V之間。同樣地，兩者之間的溫度范圍也不同，這些值可以保存，并在啟動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行比較。自動(dòng)檢查方法局限于很特殊的條件。一般來(lái)說，大多數(shù)應(yīng)用中選擇預(yù)編程和預(yù)執(zhí)行。在這篇文章中，我們會(huì)重點(diǎn)介紹預(yù)編程，并把注意力集中在電池充電是附加功能的應(yīng)用中。
如前所述，兩種電池充電器的感測(cè)和控制部分硬件是相同。電池充電器所需的外部硬件原理圖如圖3所示。
圖3：電池充電器的簡(jiǎn)化原理圖
要確定電池狀態(tài)，就要進(jìn)行電壓、電流、溫度的測(cè)量，把他們通過復(fù)用器輸入微控制器中的ADC。根據(jù)這些值，在固件中確定狀態(tài)，充電電流通過改變PWM占空比來(lái)控制。PWM輸出連接到SEPIC變換器（其控制流進(jìn)電池的電流）里的MOSFET門。這些步驟關(guān)系到CPU，因此有些延遲。不同的電池，特別是鋰電池，對(duì)于過充電非常敏感，在高電壓下可能變得非常不穩(wěn)定。要額外增加過電壓和過電流保護(hù)，硬件保護(hù)電路就要增加比較器。這些比較器會(huì)關(guān)閉充電直到用戶復(fù)位或達(dá)到一個(gè)安全的工作環(huán)境。
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根據(jù)測(cè)量到的參數(shù)值和電池類型，CPU決定電池狀態(tài)和相應(yīng)的PWM占空比。傳統(tǒng)上，CPU檢測(cè)充電曲線所需的條件，可以在代碼中定義為常數(shù)，并可手動(dòng)修改。例如以下代碼。
當(dāng)充電曲線需要改變時(shí)，BATTERY_PROFILE設(shè)置為0或1以在兩種充電曲線之間進(jìn)行切換。所有狀態(tài)的電壓、電流、溫度限制都保存為常數(shù)，并可以作出相應(yīng)改變。如果同一電池類型需要不同的電平，需要修改代碼鍵入新參數(shù)。這意味著這種應(yīng)用的用戶需要注意代碼改變充電曲線和充電器限制。通過使用組件式方法，當(dāng)開發(fā)人員選擇合適的IP模塊時(shí)，可以鍵入?yún)?shù)來(lái)改變電池充電器充電曲線。例如，鋰電池和鎳氫電池組件如圖4所示。
圖4：可以為不同電池鍵入?yún)?shù)的GUI
使用這些組件，應(yīng)用工程師可以添加充電器組件到已有的應(yīng)用中，并設(shè)置適當(dāng)?shù)某潆娗€。所有其他的硬件(比較器，PWM等)和軟件(狀態(tài)機(jī))也都由組件生成。使用可編程結(jié)構(gòu)，例如賽普拉斯的PSoC，通過軟件程序，硬件組件就可編程并實(shí)現(xiàn)。這種方法可以用于實(shí)現(xiàn)圖3中鋰電池和鎳氫電池的充電器硬件。在項(xiàng)目中增加一個(gè)USB部件，電池參數(shù)就可以送到計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)繪制實(shí)現(xiàn)使用C#軟件工具。其他任何通訊方式和類似工具都可以用來(lái)繪制數(shù)據(jù)。電池模擬器可以用來(lái)模擬鋰電池和鎳氫電池的實(shí)時(shí)獲得圖形。得到的圖形如圖5所示。
圖5：鋰電池和鎳氫充電圖形
在電流中看到的噪聲是使用電壓仿真器改變電壓時(shí)的開關(guān)噪聲。由于使用電壓仿真器，電壓改變特別快，對(duì)應(yīng)電壓的變化，PWM輸出的建立時(shí)間和響應(yīng)就可以看到上面的噪聲結(jié)果。在電池中電壓變化是非常緩慢的，從而開關(guān)噪聲并不明顯。
圖1和圖2鋰電池和鎳氫電池的充電階段可以在圖5中看到。因此可以看出，只需簡(jiǎn)單改變SoC固件，就可以使用同樣的硬件實(shí)現(xiàn)多種充電器。通過簡(jiǎn)單部件，就可以增加充電功能到主要應(yīng)用中。
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