简化针对多种化学类型电池的充电器

当为不同电池芯容量的多种化学类型电池充电时，在不同的充电阶段上，电池电压可能会高于或低于电源电压。因此，需要对电源电压做升压或降压，以配合电池的电压。例如，当为一个典型电压为1.25V的单芯NiMH(镍金属)电池充电时，必须对3.3V的电源做衰减或降压。当要为一个单芯4.1V锂离子电池充电时，输入电压需要做升压。为解决这些问题，应用一种SEPIC(单端初级电感转换器)作为主充电路径。这种开关模式的DC/DC转换结构可以同时在某个电压区间内完成升降压工作，从而提供了电源电压的灵活性。

锂离子与NiMH化学类型需要不同的充电曲线，但一个灵活的充电架构可以方便地用于两种情况。较为灵活与简便的实现方式是，用微控制器上的固件，从一种化学类型切换到另一种类型。如果设计一种模块化的充电子系统，并将各种功能封装到各个模块中，就可以根据系统需求，使用某个系列中的不同微控制器，实现相同的应用。模块化的使用简化了设计，开发人员就能够为其它主要应用增加电池充电功能，如电机控制与医疗测量等。

在控制充电电流时，电池充电器必须要确定出电池的电压、电流与温度。确定电池状态的硬件对所有电池类型都是共同的，电池电压可以高于或低于微控制器的输入范围。因此，工程师们一般都会用一个电阻分压电路测量电压，做电压衰减。他们可以测量高侧的电流，即进入电池的电流;也可以测量低侧的电流，即离开电池的电流;或者，在SEPIC情况下，可以在电感的次级端使用一只电阻。电池通常都内嵌有热敏电阻，可以用于监控和确保电池温度的精度。有些商用电池制造商为降低成本而省略了这些热敏电阻。这种情况下，用户可以外接一只热敏电阻，并使之与电池接触。

采用这些测量参数，微控制器就能确定并控制进入电池的充电电流。从电池充电器的角度来说，不同化学类型之间的主要区别就是充电曲线(图1)。锂离子电池采用的是恒流恒压的充电曲线。如果电池电压在启动时低于恒流阈值，则电池充电器会以少量电流供电，大约为电池容量的10%。在这个预处理阶段，电池电压会随着充电电流而逐步增加。当电压达到快充阈值时，微控制器将充电电流增加到约为100%容量。这个恒流阶段一直保持下去，直到电池电压达到规定的电压值。然后，电池充电器进入恒压阶段，在此期间，充电电流减小，同时电池电压保持在规定的电压值。当电流降低到终止电流时，电池电压保持不变，而电池充电过程终止。

图1，从电池充电器的角度，锂离子电池化学类型(a)与NiMH电池化学类型(b) 之间的主要差异是充电曲线。

在充电期间，电池中的电流随温度的变化而变化。如果有任何电池状态参数(电压、电流或温度)超出了相应电池充电阶段所规定的范围，则电池充电器会停止充电做保护。

NiMH电池的前两个充电阶段与锂离子电池类似，即：20%容量的激活段，以及100%容量的恒流段。电压下跌与温度下跌表明了NiMH电池的恒流段结束，而电流保持恒定。在这次电压下跌后，NiMH充电器的充电曲线进入了充电完成阶段，在此期间，电流降低到约5%容量的涓流水平。这一阶段提供一个恒定时间的小充电电流，直到充电终止。

使用这些充电需求，就可以将电池充电过程简化为不同的水平，方法是用一个预先定义了电压、电流、温度和超时等数值的状态机。微控制器的状态机控制着电池的状态，以及充电所需要的电流量。图2是一个可为这两种电池充电的简化的状态机。

图2，一个预先确定了电压、电流、温度和超时数值的状态机，可以简化锂离子电池和NiMH电池的充电曲线。

根据所选择的电池化学类型，微控制器会检查电池的状态机，控制充电电流。电池充电的曲线可以有预编程、启动前或自动决定三种形式。对于前两种方式，微控制器会从用户的输入获得电池类型。对预编程情况，模块软件会选择充电电池的类型，用所需曲线为微控制器编程。这种决策方式适用于那些充电是附加功能的应用。在这些应用中，电池类型是已知的。

在启动前方式中，微控制器会做一个附加检查，这种检查可以简单到在启动时由微控制器检查开关的位置，从而确定电池的充电曲线与选择。对于自动检查方式，微控制器会在启动后自动地做出决策，通过检测电池的类型而选择电池充电曲线。例如，一只单芯NiMH电池的典型电压范围为0.9V~1.25V，而一个锂离子电池芯的电压范围为2.7V~4.2V。同样，不同电池的温度范围也有差异，微控制器可以在启动时保存和比较这些数值。自动检查方案只能用于某些情况。一般来说，预编程与启动前方法可用于大多数应用。本文主要讨论预编程决策，面向那些电池充电是附加功能的应用。

两种化学类型都使用了相同的硬件，用于电池充电器的检测与控制(图3)。要确定电池的状态，就要将电压、电流和温度以多工方式输入到微控制器中的一只ADC，完成测量。固件使用这些数值确定出状态，通过改变PWM(脉冲宽度调制器)的占空比而控制充电电流。PWM的输出连接到SEPIC中MOSFET的栅极上，控制流经电池的电流。这些步骤都与CPU有关，因此会有一些延迟。有些电池(包括锂离子电池芯)对过充很敏感，在较高电压下会变得不稳定。比较器增加了防止过压和过流状况的硬件保护电路。这些比较器会在必要时中止充电，直到用户将其复位，或电池回到安全的状况下。

图3，微控制器根据所选择电池的化学类型，用电池的状态机控制充电电流。

两种化学类型下，用于检测和控制电池充电的外部硬件是相同的。

根据测得的参数值以及电池的化学类型，CPU确定出电池的状态，并相应地改变PWM占空比。按传统方法，CPU用于确定充电曲线的条件都是代码中的常数，程序员要手工修改它们(代码清单1)。[!--empirenews.page--]

当需要修改充电曲线时，将电池充电曲线设为0或1，可在两个充电曲线之间做切换。程序将针对所有状态的电压、电流和温度极限保存为常数，并做相应的修改。如果某种电池类型需要不同的电压水平，则必须修改代码，输入新的参数，这意味着应用的用户必须了解修改充电曲线的代码，以及电池充电的限制条件。而采用模块化方案后，当选择了相应的IP(智能产权)块时，就可以输入用于修改电池充电器曲线的参数。图4给出了锂离子电池与NiMH电池的模块参数。

图4，通过图形用户界面，输入电池化学类型的参数极限值。

使用这些模块后，应用的设计者就可以为应用增加充电器模块，建立相应的充电曲线。模块还生成了所有其它的硬件块，包括比较器与PWM，以及软件状态机。采用可重新编程的架构时，如Cypress半导体公司的PSoC(可编程系统单芯片)，就可以用软件应用，对硬件模块做编程和实现。采用这种方式，开发人员可用NiMH电池的充电曲线为图3中的硬件编程。为产品增加一个USB(通用串行总线)模块，开发人员就可以将电池参数发送给计算机。用C#语言的一个软件工具就可以绘出这些数据，当然也可以采用其它类型的通信方式和相近的工具。电池仿真器用于模仿锂离电池和NiMH电池，获得实时的图像(图5)。

(a)

(b)

图5，电池仿真器模拟锂离子电池(a)和NiMH电池(b)，获得实时的图形。

由于使用了电池仿真器，电压的变化便产生了电流的开关噪声。因为使用电池仿真器的电压变化较快，PWM输出对一个电压变化的响应与安定时间可看作开关噪声。一块电池中的电压变化是渐进的，因此开关噪声在一块实际电池中并不明显。

通过对SoC(系统单芯片)固件的简单修改，就可以用相同硬件，开发出用于多种化学类型电池的充电器。将充电曲线模块做到元件中，便于主应用附加电池充电的功能。