李闖澤,胡冠華,張回園

(中北大學信息探測與處理技術研究所,太原 030051)

李闖澤(碩士研究生),主要從事信號與信息處理方面的研究。

1 概 述

隨著便攜式可充電應用的持續(xù)增長,對獨特或者定制電池充電器設計的需求也在不斷增加。除了便攜式可充電應用的增長之外,電池化學也在不斷進步,涌現(xiàn)了許多新的充電算法。

本文采用 Microchip公司的高速PWM系列器件MCP1631HV設計了一款多種充電算法并存、用戶可以進行靈活配置、可以滿足多種不同特性的充電電池的智能充電器。整個硬件體積大小為7 cm×6.7 cm×3 cm,可以滿足目前社會對智能充電器小體積、可靈活配置以及高充電效率的需求。整個智能充電器系統(tǒng)的設計包括3部分:智能充電器充電算法原理、智能充電器硬件系統(tǒng)設計以及充電算法系統(tǒng)軟件設計。

2 智能充電器多種充電算法原理

針對目前市面上常見的可充電電池類型,具體分析鎳氫鎳鎘電池充電曲線以及鋰離子電池充電曲線。圖1是鎳氫鎳鎘電池充電曲線特性圖。

圖1 鎳氫鎳鎘電池充電曲線特性圖

從圖1可以看出,整個鎳氫鎳鎘充電曲線的工作過程是:一旦MCU檢測到有充電電池,就會有受控小電流或調理電流流入電池組,從而開始進行充電。如果充電的每節(jié)電池電壓都在0.9 V以上,就對電池組開始快速充電或者使用高電流進行充電。對于鎳氫或鎳鎘電池,充電電池的范圍可達(甚至超過)電池容量的50%～100%。當電池到達其容量時,采取漸止充電方式完成充電周期。

當電池充電完成時,需要停止對電池組的進行充電,一般采取兩種方法來判斷是否停止充電:

①根據電池組溫度的突然增加;

②根據電池組電壓的細微下降-dV/dt。

針對鎳氫鎳鎘電池而言,電池組電壓的細微下降不容易檢測,因為變化率變化非常小,但是-dT/dt變化率較大,容易檢測,因此在下面的設計中對鎳氫電池組采用第一種方法進行停止充電檢測。

鋰離子電池充電曲線特性如圖2所示。鋰離子電池充電之前先要進行電池校驗,且在開始快速或者高電流充電之前,每塊電池的電壓均應大于3 V。若小于3 V,使用低值調理電流來開始充電周期。MCU一旦檢測到電池電壓大于3 V閾值,就將啟動快速或高電流充電,隨著電池電壓的上升,在電池充滿之前電壓到達最大值。絕大多數(shù)鋰離子電池的恒定電壓是4.2 V,達到這個電壓值以后,電池充電器變成恒壓源(調節(jié)電流而不調節(jié)電壓)。當處于恒壓模式時,隨著充電電流的降低,充電周期仍然繼續(xù);當充電電流下降到快速充電電流約7%時,停止充電。如果充電結束后電壓下降到4.0 V以下,則可以開始新的充電周期。

圖2 鋰離子電池充電曲線特性圖

針對電池充電器的功耗問題,一般有兩種解決方法:線性和開關模式。為了提升智能充電器的充電效率,本文采用開關充電器的設計方法,從而將充電器的充電效率提升到85%。

目前存在諸多的開關穩(wěn)壓器功率拓撲:降壓、升壓、SEPIC以及反激式等。由于SEPIC功率拓撲結構優(yōu)于其他的拓撲結構,本文采用SEPIC功率拓撲結構。具體的SEPIC功率拓撲結構如圖3所示。

圖3 SEPIC功率拓撲結構

3 智能充電器硬件系統(tǒng)設計

智能充電器是采用MCU來控制高速模擬PWM器件MCP1631HV來實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的。利用MCU的可編程性。通過軟件編程設計來生成不同的充電算法。MCP1631HV就是針對恒流SEPIC拓撲結構應用的,它提供了一種新的高速模擬PWM。由于實現(xiàn)了脈寬調制,使用MCP1631HV來控制,具有模擬速度和分辨率高的好處。

在系統(tǒng)的硬件設計中主要包括以下3個部分:MCU核心控制和處理模塊、智能充電器SEPIC模塊,以及系統(tǒng)配置鍵盤輸入和狀態(tài)顯示模塊。

3.1 MCU核心控制和處理模塊

MCU核心控制和處理模塊設計主要包括Microchip公司PIC16F883微控制器的外圍最小系統(tǒng)設計、MCU的外圍電路和程序下載調試接口設計等。利用MCU內部自帶的10位ADC對電池組充電時的溫度進行采集,分配PORTA口的RA0作為溫度輸入端,RA4作為普通I/O口對MCP1631HV的SHDN使能端進行控制。RA5～RA7這3個輸入端口作為系統(tǒng)配置鍵盤的輸入,其中RA5作為充電器充電開始和停止的開關,RA6用于選擇充電電池的類型,RA7用于選擇充電器的電池數(shù)。PORTB口的低4位RB0～RB5作為系統(tǒng)工作時的指示燈,RB6和RB7是MCU的程序下載和調試接口。MCU的外圍電路及其調試接口電路如圖4所示。

圖4 PIC16F883外圍電路及其調試接口電路

3.2 智能充電器SEPIC模塊

智能充電器的SEPIC功率拓撲結構部分硬件電路如圖5所示。

圖5中設計的SEPIC功率拓撲結構是按照第2節(jié)中所論述的原理進行設計的。主要采用了電容隔離,輸入和輸入之間沒有直接的直流通路,在減少了功率元件使用的同時使得充電器更加安全;SEPIC轉換器在輸入端有一個電感L74487010,它能平滑輸入電流,減少了必要的濾波,降低了源噪聲;IRF7807VTRPBF內置的低側單開關降低了MOSFET驅動和限流保護的復雜程度;對于輸入電壓可能高于或低于電池電壓的應用,SEPIC可以對輸入電壓升壓或者降壓。

圖5 SEPIC功率拓撲結構部分硬件電路

3.3 系統(tǒng)配置鍵盤輸入和狀態(tài)顯示模塊

智能充電器多功能性的實現(xiàn),需要通過系統(tǒng)配置鍵盤進行用戶輸入配置后,才能完成相應的充電算法。系統(tǒng)配置鍵盤和狀態(tài)顯示電路如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)配置鍵盤輸入和狀態(tài)顯示電路

用戶根據自己的需要選擇相應的充電算法,通過鍵盤輸入和LED狀態(tài)指示進行相應的設置。鍵盤部分采用獨立按鍵設計方法。

4 智能充電器充電算法系統(tǒng)軟件設計

針對多種充電算法,在MCU內部通過軟件編程實現(xiàn)了兩種充電算法:鎳氫鎳鎘電池充電算法和鋰離子電池充電算法。整體軟件設計流程如圖7所示。在MCU上電開始工作時先對系統(tǒng)的I/O端口以及所使用到的內部外設資源進行設置,然后檢測超級循環(huán),不斷進行電池電壓、電池溫度以及系統(tǒng)按鍵是否按下等的檢測,并根據相應的觸發(fā)條件去處理相應的事件。

5 結 論

本文基于高速模擬PWM器件MCP1631HV設計了一種智能多功能充電器,能夠實現(xiàn)不同的充電算法,可滿足市場上對多功能、小體積以及高充電效率的需求,具有一定的優(yōu)勢和較高的應用價值。

圖7 整體軟件設計流程

[1]Microchip Inc.MCP1631HV Digitally Controlled Programmable Current Source Reference Design,2009.

[2]Microchip Inc.MCP1631HV/MCP1631 Data Sheet,2009.

[3]Microchip Inc.PIC16F883/4/5/6/7 Data Sheet,2009.

[4]謝楷,趙建.MSP430系列單片機系統(tǒng)設計與實踐[M].周敏,譯.北京:中國電力出版社,2004.

[5]馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.