多功能IC可实现独立于化学成分的电池充电

快速移动的电池技术给设计人员提出了一个问题：是选择最新技术以获得最大性能，还是为了成熟、更可靠的技术而牺牲性能。独立于化学成分的电池充电器的出现有助于解决这个问题。

鉴于现代系统中电池类型和充电要求的混合，独立于化学成分的充电器是使用和维护便携式设备的人的欢迎工具。此类充电器检测已安装的电池类型并相应地调整充电程序。

独立于化学成分的充电器还有其他几个好处。例如，它们使OEM能够跟上电池开发的步伐，而无需昂贵的硬件更改。它们还允许用户升级产品的电池而不是购买设备。此外，对于与智能电池系统 （SBS） 规范兼容的系统，充电器、电池和主机的指定标准接口为用户提供了任何 SBS 兼容电池的选择。

大多数可以为多种电池类型充电的充电器必须能够将其输出特性从电压源转换为电流源。它们还必须能够监控电池的充电电流和电压，在某些情况下，还可以监控电池的温度和充电时间。

考虑充电要求

目前最常用的电池是镍镉、镍氢（NiMH）、锂离子（Li-ion）和铅酸。镍镉和镍氢类型需要使用恒流电压源充电。为了确定何时应终止充电，充电器必须检测电池电压 （dV/dt） 或温度 （dT/dt） 的变化。锂离子电池和铅酸电池需要使用电压限制电流源充电，这些类型的充电器必须包括一个计时器，该计时器在指定的时间间隔后终止充电。这些应用中的电流源精度通常并不重要，但对于锂离子电池，限压精度必须优于1%。

需要在电压源和电流源之间切换命令是有问题的，因为要求相互冲突：充电器的输出阻抗对于电压源应该很低，而对于电流源应该很高，从而导致对稳定的要求不同。这种能力很难在单个电路中实现。

另一方面，稳定性通常并不重要，因为充电器的输出电压和电流在正常的充电周期中变化缓慢。但是，如果充电器的输入源看到负载变化，导致其输出出现纹波或阶跃变化，就像廉价的壁式立方体电源一样，那么环路稳定性的妥协可能会导致电池充电电压或电流出现过大的纹波。这个问题对于锂离子电池来说很严重，因为锂离子电池需要对施加的电压有严格的公差。如果锂离子电池的充电电压过低，则电池不会充满电。如果太高，电池会永久损坏，这就是为什么锂离子电池制造商通常指定充电电压精度优于1%的原因。

检测电压和温度

对于镍镉和镍氢电池，确定何时终止充电周期的首选方法是监测电池电压的变化。对于镍镉电池，端电压在充电时保持相对恒定，然后在电池充满电时达到峰值并下降。因此，当 dV/dt 变为负值时，镍镉电池应终止充电。镍氢电池应在dV/dt等于零时终止;它们的行为类似于NiCd类型，但电压下降得更慢。作为确定充电结束的备用措施，镍镉和镍氢电池的制造商通常建议监测电池的温度和电压。

为锂离子电池和铅酸电池充电需要充电器先施加恒定电流，然后施加恒定电压。充电器监控电池电压，以确定何时进行此切换。锂离子或铅酸电池充电器还必须监控电池电压，以尽量减少充电器向电池施加调节电压的时间，因为延长的“浮动”间隔会损坏这些电池。因此，充电器必须对所有四种电池类型的电池电压进行采样，以确定镍镉和镍氢类型的充电结束时间，以及铅酸和锂离子类型从电流到电压调节的切换。

创建智能充电器

为了控制充电，所有独立于化学成分的电池充电器都需要某种形式的“智能”驻留在电池或充电器中。例如，微控制器使“智能充电器”能够确定电池类型并根据需要修改其充电程序。

电池组本身不需要智能;它只需要一种方法来通知充电器其化学类型和电池数量。电池组可以使用电池组上的键控连接器或充电器可以读取的存储代码来提供此信息。无论哪种方式，充电程序都可以驻留在软件中，安装新的电池类型只需更新软件即可。因此，充电器可以容纳充电器首次亮相时不可用的电池类型。

将充电程序提交到软件还允许制造商通过软件升级来延长其产品的使用寿命。例如，消费者可以通过简单地安装电池升级附带的软件升级来升级电池组。软件还允许制造商在构建电池供电产品时在不更改硬件的情况下升级电池类型。

充电控制 IC 和 μC 构成智能充电器

您可以构建具有低成本μC的智能充电器（如PIC16C73）和独立于化学成分的电池充电器控制器（如MAX846）（图1）。在这种情况下，用户已预设充电控制器（IC1） 用于为锂离子电池充电。集成电路1具有一个精度为 0.5% 的内部基准，可生成内部预设的调节电压（单节电池为 4.2V;两节电池为 8.4V），控制器驱动充电电压和电流。

图1.一个简单的独立于化学成分的电池充电器结合了微控制器、IC1，带电池充电控制器，IC2，采用线性调节。

PIC16C73 μC， 集成电路2，包括 PWM 输出 CCP1和中共2.CCP 的过滤版本2驱动芯片1的 V设置用于控制电压设定点的引脚。中共1PWM 输出通过设置 I 上的电压来控制电池电流设置.使用可通过其 AN 访问的内部 A/D 转换器1引脚，μC 通过测量 IC 电压方面的电流来监控电池电流1的 I设置针。μC 通过读取由 R 驱动的内部 A/D 转换器来监控电池电压5/R6分压器。

μC的工作频率为4MHz，为了达到所需的精度，其PWM输出频率为25kHz。每个PWM输出驱动一个RC滤波器，后接一个单位增益运算放大器缓冲器。一个依赖于基准电压源的3.3V低压差稳压器为μC（两者均位于IC内部1），因此μC的PWM输出跟踪该基准电压源。以这种方式为μC供电可提高精度，因为这种方法会导致PWM输出跟踪基准电压的变化。

V处的电压设置（集成电路引脚 61），通过一个 20kΩ 电阻连接到内部 1.65V 基准，确定充电器的电压限值。该电压是来自μC的CCP的滤波PWM输出2输出，等于 3.3V 乘以 CCP2的占空比，D2:

充电器的电压限制为 V

限制可在 V 范围内调节调整后，其中 R 的值

1在图1中（825kΩ）使该调整范围约为4.7%。

通过设置 CELL 的状态2， 芯片的引脚 101，用户将标称电压限制设置为 4.2V 或 8.4V，使充电器与单节或两节锂离子电池兼容。较小的调整范围使充电器能够适应制造商建议的限制。限制 V调整后至V的约10%限制确保浮动电压的精度为 1%，即使使用 R 的 1% 电阻也是如此1.

该充电器还可以处理镍镉和镍氢电池，因为它们不需要浮动电压。这些类型所需的最大充电电压通常为每节电池 1.75V。因此，图1所示的充电器可以处理多达四节电池的镍镉或镍氢电池。

电流由 IC 提供1的 I设置PIN控制充电电流。电流检测电阻两端每毫伏的电流等于 1μA，R2.终止 I设置用电阻产生电压，将该电压调节到1.65V调节充电电流。R 的 20kΩ 值3和 R4设置 I设置阻抗为 10kΩ，空载电压设置为 3.3 x D1，其中 D1是中共1占空比。充电电流如下：

此关系将充电电流设置为零时 CCP1占空比为1，当输出保持高电平时。当占空比为零时，电路提供最大充电电流。因此，最大电流为 0.165/R2= 825mA。

处理温度影响

虽然作为独立充电器很好，但图1中的布置可能不适合便携式设备，因为pnp晶体管中的功耗会产生温升。该耗散等于充电电流乘以输入电压和电池电压之差的乘积。通过使用开关电源（图 2），可以最大限度地减少这种麻烦的温升，开关电源的效率更高，允许从输入电压降压到电池电压，功耗更低，因此温度更低。如图1所示，PIC16C73 μC控制与化学无关的充电器（MAX1648）。μC 的模数转换器输入，AN0，通过电阻分压器 R 监控电池电压4/R5，μC 的 PWM 输出设置充电电流和电压限值。

图2.用开关模式控制器代替图1中的线性稳压器控制器，可以产生相对高效的电路，其较低的工作温度使其可以作为便携式系统的一部分工作。

为了达到锂离子电池所需的 1% 精度，该系统包括一个 0.2%、4.096V 外部基准 IC3.此基准设置 IC 的充电电平1以及通过三个SPDT模拟开关IC2.为避免基准电压负载过大，从而影响PWM输出精度，μC从IC内部的5V VL稳压器接收电源1而不是来自引用。如图1所示，μC的工作频率为4MHz，PWM输出的工作频率为25kHz。

低通滤波器（R1/C1） 产生通过 IC 控制充电电压的直流电压1的 SETV 输入。类似的滤波器产生直流电压以控制SETI输入端的充电电流，还包括一个1至4分压器（R2/R3），以建立基准电压的四分之一所需的电平。精度为 5% 的电阻足以满足 10% 精度的充电电流要求。

最大充电电压限制为基准电压的四倍，即 16.384V。允许的最大充电电流取决于0.1Ω检流电阻和IC内部的检流门限1（0.185V）： 0.185V/0.1Ω = 1.85A.充电器操作取决于 THM（引脚 9）的电压，而 THM 又取决于 IC 中顶部开关的位置2，其中μC的RA1输出控制。将THM连接到热敏电阻会导致IC1在电池温度过高或过低时关闭。将 THM 接地可关闭充电器。

智能电池

在SBS中为电池充电所需的信息存在于电池组本身中，电池组通过控制充电器来实现正确的充电顺序。因此，充电器和主机系统不需要知道电池的类型或充电状态。智能充电器是不必要的，但电池组必须是智能的。因此，SBS中的电池组“知道”它所需的充电算法。该组通过SMBus与充电器“对话”，SMBus是I2在系统内提供通信的 C 总线。此配置适用于与 SBS 规范兼容的电池和设备。

图3所示的电池充电器IC（MAX1647）是用于智能电池充电器的控制器，具有与智能电池规格兼容的SMBus接口。在从输入电压降压至所需电压或电流时，IC分别从DH和DL输出为两个外部MOSFET（开关晶体管和同步整流器）提供驱动。开关模式控制器的效率高于线性型控制器，同步整流器在电池电压较低时比二极管整流器效率更高。这些效率的提高使电路的工作温度最小化，从而针对便携式设备进行优化。

图3.符合智能电池系统规范的化学无关电池充电器包括化学无关的充电器控制IC和SMBus接口。

为了达到必要的精度，线性电流源产生1mA至31mA的充电电流。当开关模式电流源导通以提供更高的充电电流时，该线性源保持导通以确保单调性。Q1通过降低大部分I来最小化电池充电器IC的功耗外电压。

审核编辑：郭婷