利用MCU设计离线锂电池充电器

系统设计

图2 为锂电池充电器系统组成框图。其中PWM 输出控制充电开关，且其占空比可根据需要用充电电压及电流的反馈来调整。LPC916 的8 位片上高速A/D 转换器提供了监视充电电压所需的高精度。避免锂离子应用中的过充电非常重要，因为将充电保持在其最大值以内可延长电池的使用寿命。表1 为该电路的输入/输出参数规格。

                             图2：由LPC916 控制的锂电池充电器解决方案

                                     表1：图2 电路的输入、输出参数规格。

下一步是计算电感值，首先必须指出的是，公式1 给出了占空比、输出电流、PWM 周期及其他变量之间的关系。电感值可通过假设Vi＝5.1V、所需输出电压Vsat＝0.5V(在Io=350mA 上，Vo＝4.25V、所需输出电流Io＝350mA 、1/T＝14.7kHz 以及占空比为50%来计算)。采用以上这些值，用公式1 可计算出电感值不小于10µH。在本设计中，建议电感值为33-10µH 。尽管可以采用大于5.1V 的输入电压，但更高的输入电压要求采用更高频率的PWM 或更大的电感，从而使器件成本提高。

锂电池应以三个独立的阶段来充电。如果电池电压低于3V，则需要有预充电阶段且充电电流应保持为65mA。一旦电池电压达到3V+-1% ，即开始进入快速充电阶段，并采用350mA 的恒定充电电流。通过调整控制脉冲可使充电电流保持恒定。当电池电压达到4V+-1% 时，即开始接恒定电压充电阶段。此时电压被保持在4.23V，充电电流处于监视下。

在恒定电压充电阶段之后，电池被另外再充电50 分钟，同时保持充电电流小于30mA。充电时间可用一个计时器来控制，但监视充电终结的方法有三种：检测充电电流、使用计时器以及监视温度(可选)。

充电过程如图3 所示。从一个阶段进入到另一个阶段的准确标志如下：预充电阶段(当需要时)：如果Vbat<3. 0(1%，则设置Iout=10%；Ireg=65mA ；快速充电阶段(恒定电流充电)：当Vbat<=4.00+-1%V 时，设置Iout=Ireg=350mA；计时器控制充电阶段(恒定电压充电)：当Ibat<60mA 时，设置Vout=Vreg=4.23V(50 分钟)以保证电池充分充电，但使充电电流小于30mA。充电在4 小时内完成。考虑到最终用户，设计中采用了LED 状态指示灯，以提供有关充电序列状态的信息。

                                        图3：锂电池充电过程

设计方案的测试

可用来在充电过程中测试该设计的电路框图如图4 所示。用两块万用表来测量Vout 及Vsense_res 读数。Vout=Vbat+Vsense_res ，充电电流可用公式Iout=Vsense res/0.75 来计算。

                                                图4：测试电路  

当充电开始时，每15 秒记录一次数据，但当电流及电压稳定后，记录周期可缩短为每5 秒记录一次。结果可能会随不同电池的化学特征而变化，而且电池的起始电压也对结果有影响。图5 及图6 显示该设计满足指标。

图5：输出电压测试结果

图6：输出电流测试结果