采用閃存微控制器設(shè)計離線鋰離子電池充電器
Designing an Off-Line Li-Ion Battery Charger Using an MCU with 2 Kbytes of Flash
前言
---采用恰當(dāng)組合外設(shè)和閃存的合適8位微控制器來設(shè)計離線鋰離子電池充電器,對于工程師來說,這是一個相當(dāng)不錯的選擇。 集成2kB閃存和合適外設(shè)的基于80C51的微控制器所提供的解決方案并不昂貴。集成的閃存還能簡便有效地調(diào)試應(yīng)用密碼,如果必要的話,還可現(xiàn)場升級軟件。而且,80C51在設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用,眾多廠商提供了一系列強大而經(jīng)濟的應(yīng)用開發(fā)工具�？紤]到電池充電的成本、設(shè)計效率和安全性,基于這種微控制器的解決方案的優(yōu)勢便不言而喻。設(shè)計團隊即使在執(zhí)行復(fù)雜的設(shè)計時,也可以大幅縮短設(shè)計周期,同時,還可將項目的整體物料清單（BOM）成本維持在可接受的范圍內(nèi),用于價格敏感的應(yīng)用。
---外設(shè)集成對設(shè)計有兩個方面的優(yōu)勢。其一微控制器集成了一個內(nèi)部振蕩器,就可以節(jié)省外部振蕩器的器件成本及其PC主板的封裝形式;其次,內(nèi)部振蕩器還可以改進系統(tǒng)啟動時的穩(wěn)定性。四信道模數(shù)轉(zhuǎn)換器是設(shè)計工程師應(yīng)集成到芯片上的另一個頗具價值的外設(shè)。 它不僅能節(jié)省外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器成本,還能用于監(jiān)測充電電壓、電流及電池溫度,這些都是安全電池充電操作的重要參數(shù)。
---下面將介紹用于設(shè)計的微控制器—飛利浦半導(dǎo)體的P89LPC916 。它不僅集成了這些功能, 同時包含高性能的處理器架構(gòu),能在兩個時鐘中執(zhí)行指令,這樣可以將性能提高至標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍。定時器0很容易配置,用于脈寬調(diào)制（PWM）輸出,使裝配和使用PWM功能變得簡單。
電池充電的基本原理
---該設(shè)計解決方案是專門針對放電電壓為3.6 V、電壓極限為4.2 V、額定容量為700mAh～750mAh的鋰離子電池的充電解決方案。充電分為3個階段：預(yù)充階段、恒流充電階段和恒壓充電階段。如果電池的電荷很低,只能產(chǎn)生很低的輸出電壓,預(yù)充階段則必不可少。這種情況下,必須采用低電流充電,以保護電池。如果電池已經(jīng)可以產(chǎn)生很高的電壓（大于3V）,就可以安全地省略預(yù)充階段。當(dāng)然,大多數(shù)情況都是如此。能量大多數(shù)是在恒流充電階段和恒壓充電階段由充電器流入電池的。特定電池允許的最大充電電流由電池的額定容量決定。例如,額定容量為700mAh的電池,可以使用350mA～400mA的電流進行快速充電。
---就鋰離子電池而言,微控制器必須維持電池的默認(rèn)充電電壓,同時還要監(jiān)測充電電流,以確定電池何時充滿,結(jié)束充電。溫度監(jiān)測可以保證安全的充電流程,因為只要電池達到充滿狀態(tài),所有多余的電能都會轉(zhuǎn)化為熱能。盡管微控制器必須在原有性能之上增加溫度監(jiān)測功能,然而目前市場上大多數(shù)鋰離子電池都已經(jīng)具備了過充保護功能,因此,溫度監(jiān)測盡管必不可少,卻很少應(yīng)用。
降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計
---設(shè)計具有錐形中止功能的充電器最經(jīng)濟有效的方法是,采用降壓轉(zhuǎn)換器作為開關(guān)穩(wěn)壓器。降壓轉(zhuǎn)換器采用電感器存儲電能。圖1a和圖1b是開關(guān)閉合和斷開時降壓轉(zhuǎn)換器的運行情況。
---PWM輸出的信號控制著充電開關(guān)。開關(guān)閉合時（如圖1a所示）,充電器（Charger Vin）提供的電壓迫使電流流經(jīng)電路,電容器通過電感器進行充電。開關(guān)斷開時（如圖1b所示）,電感器試圖感應(yīng)電壓以保持電流流動, 但不能立即發(fā)生變化。然后,電流流經(jīng)肖特基
