电池充电器设计:选用专用IC还是微控制器

简介

　　锂化学电池芯类型有较好的体积与重量能量密度，优于其它现有的商用可充电电池芯。设计者一般采用专用充电控制IC，实现单芯电池的充电。锂化学电池芯的充电要求充电器同时控制充电电流和电池电压。为减少电流的需求，用于电动汽车、大型系统备份电源以及其它大功率需求的电池设计者采用大串联数量的电池芯堆。很多微控制器都有内置ADC、信号调整以及PWM控制，可用于电池充电控制设计。　　电池充电器的设计者要面临一个基本的选择：是使用有很多供应商能够提供、有丰富选择的专用充电控制IC，还是使用可编程控制器。由于电池充电控制是一个缓慢的过程，可以用廉价的微控制器及其嵌入ADC、信号调整以及PWM模块，直接控制充电器的功率转换电路。也可以用一只微控制器做充电器与电池管理系统之间的通信和交互，如在智能充电器中;可以将微控制器用于灵活的用户接口，如充电状态显示器中;可以将其用于电池调节控制;还可以用于其它灵活特性中。不过与采用专用充电控制IC的充电器相比，微控制器电路与固件的设计与测试通常更昂贵，产生成本也更高。

　　充电需求

　　大多数最新的电池充电器设计是针对锂化学电池。它们包括：锂离子、锂聚合物、磷酸铁锂，以及相关的电池类型，比其它商用的可充电电池有更高的体积和重量能量密度。因此它们很适合用于便携式电源系统，如电动汽车;便携计算与通信设备(智能手机、PDA、平板电脑以及笔记本电脑);军用计算机辅助战斗系统;以及医疗参数监控器。镍化学电池仍在使用中，但正在被锂化学电池快速取代。

　　为锂化学电池充电要求充电器能同时控制充电电流和电池电压。最早的充电器采用的是为电池芯提供CC(恒流)的模式，直到电池电压上升到“浮充”电压。一旦电池芯达到了浮充电压，充电器的输出就以CV(恒压)方式保持这个浮充电压值，直到充电电流降到一个固定的低值。当电池降到这个小电流值时，充电器关闭(图1)。与镍化学电池和铅化学电池不同的是，锂化学电池通常在充电结束后没有涓流充电。实际上，在充电结束后仍维持小电流会损坏某些锂电池芯。

　　图1，当电池芯达到浮充电压时，充电器的输出电压就保持在CV模式的浮充值，直到充电电流降至一个固定值。当电池达到小电流时，充电器关闭

　　使用标准的CC/CV算法就可以对一个锂化学电池的充电时间做出近似的估计，方法是用电池容量(安培小时)除以恒流模式下的充电电流(安培)，得到的值再乘以充电时间1.3小时。通过正确的设计和对CC/CV模式算法的智能调整，可以得到更接近的计算值，但前者是一个良好的开始。另外，如果因为不良设计或不精确的电池电压测量，使CC到CV模式的转换开始太早，那情况就会糟得多。

　　锂化学电池充电器的最低要求是，它必须能够同时控制进入电池的电流，以及电池充电端子之间的电压。从安全考虑，大多数锂化学电池充电器都会在电池温度过高或过低时中断充电。很多情况下，当电池电压低到安全地恢复一个过放电电池时，充电器可以降低充电电流。

　　锂化学电池芯结构的标准简称是NSMP，即N个芯串联/M个芯并联。在设计一款充电器时，记住串联数最关键，因为它决定了电池电压。并联数决定了电池容量，只有在某种充电电流下计算充电时间时，才会用到它。

　　电池充电器的转换效果正在成为一个关键问题，因为美国能源部(DOE)和其它国家监管机构都在逐渐推出这方面的规定。随着这些新规定的生效，高效率将成为主要的转换器类型选择标准。

专用充电IC

　　所有专用的充电控制IC都是将一个直流输入电压(一般是来自一个AC/DC电源)转换为所需要的电流和电压，供电池充电。多数针对锂电池的专用充电IC都支持前述的需求：CC与CV模式控制、电池温度使能/禁用，以及减少电流的低压电池恢复。这类IC的例子很多，如TI公司提供约160种器件;凌力尔特技术公司有大约60种，Maxim公司有约70种;而InterSIL也有约50种。其它公司提供了更多充电器IC的选择，如飞兆半导体公司、Analog

　　Devices、飞思卡尔、Micrel、安森美半导体公司，以及Torex半导体公司。

　　在选择专用充电控制IC时，通常要从几方面着手：电池化学特性;串联电池芯的数量，或最大电池电压;所需要的充电电流;以及器件是否需要对温度的充电使能/禁用功能。另外，还必须考虑电源来源是否为USB接口，以及最大最小输入直流电压。大多数IC供应商的网站上都有参数化选择工具，能够缩小你的选择范围。

几乎所有专用充电控制IC都采用了降压型转换器，即输入电压高于最大电池电压。少量IC支持降压/升压型电压转换。最小输入电压与最大电池电压之间的差额也是一个重要的选择因