设备的动力来源--锂离子充电器

在本文的第一部分，我们讨论了电池类型和它们之间的差别以及如何根据特定应用选择电池技术。在这一部分，我们将举例说明如何使用锂离子技术实现电池充电器。

锂离子电池充电器采用恒流(CC)-恒压(CV)充电曲线。充电过程分为几个阶段，在确保电池容量充满的同时要符合特定的安全规则。恒流-恒压曲线分为以下几个阶段 -

1. 预充电
　　2. 激活
　　3. 恒流
　　4. 恒压

充电开始为预充电阶段，以检查电池状况是否良好。在此阶段中，通常给电池提供电池容量5%到15%的少量电流。如果电池电压上升到2.8V以上，则表明电池状况良好，可以进入到“激活”阶段，在此阶段中，给电池提供相同的电流，但会持续更长的时间。当电池电压上升到3V以上，则启动快充，并提供等于或低于电池容量的恒定电流。当电池电压上升到完全充电电压(4.2V)时或出现超时情况(不管哪一种情况先出现)，恒流阶段结束。电池电压达到完全充电电压时，充电进入到恒压阶段，且电池电压保持恒定。要做到这一点，充电电流必须随时间降低。这一阶段的充电过程相比于其它充电阶段而言所需的时间最长。在这个过程中，如果充电电流下降到“结束电流”限度以下(通常为电池容量的2%)，则电池充满，充电过程结束。请注意，充电过程的每个阶段都有一个时间限制。这是一个重要的安全特性。　　

　　结束
　　恒压阶段
　　恒流阶段
　　激活阶段
　　预充电阶段
　　电池电压
　　充电电流
　　开始
　　激活
　　快速
　　恒定
　　结束
　　最大
　　充满电压
　　上升
　　再次充电

　　图1：锂离子电池的充电曲线

为了实现这一充电曲线，必须随时了解电池电压和充电电流。此外，还必须控制电池温度,因为在充电过程中，电池往往会变热。如果温度超过电池规定限额，就可能会损坏电池。

为电池充电时，用户有两种选择：使用专用电池充电器IC或较通用的微控制器。第一种方案能快速解决问题，但其可配置性和用户接口选项(如LED指示灯)有限。相反，采用微控制器，设计时间会稍长一些，但可提供多种配置选项，并且还能集成其它功能，如电池充电状态(SOC)计算以及通过通信接口向系统的主机处理器发送信息等。另外，微控制器未配备充电器所需的电源电路，因此需要连接外接双极结型晶体管(BJT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。但与微控制器或专用充电器IC相比，这些电源组件成本较低。

充电器架构

从充电曲线中可以看出，单节锂离子电池充电器需要可控的电流源,电流源输出应当根据电池状态而改变。考虑到上述要求，基于微控制器的实现方案需要以下功能模块：

1. 电流控制电路
　　2. 电池参数(电压、电流、温度)测量电路
　　3. 充电算法(用于实现CC-CV充电曲线)

电流控制电路可采用电压源和电流反馈技术进行构建。其工作原理类似于典型的负反馈控制系统。允许充电电流通过小电阻获得反馈，从而产生一定的电压。

The voltage source can be created using two methods:

可通过两种方式创建电压源：

1. 线性拓扑结构
　　2. 开关：降压或升压拓扑结构

线性拓扑结构采用线性模式的串联导通元件(BJT或MOSFET)，如图3所示。　　

通过控制串联导通晶体管Q1的偏置来控制充电电流。可用数模转换器(ADC)或带外接阻容(RC)低通滤波器的脉宽调制器(PWM)来控制偏置。由于串联导通元件会面临功率消耗问题，因此线性方法适用于充电电流(<1A)较低的情况。

开关拓扑结构可利用其低功耗的内在优势实现更高的充电电流。基于开关降压调节器的充电器如图4所示。　　

充电电流由驱动MOSFET的PWM的占空比而设定。

电池参数测量电路：反馈信号需要用ADC测量，目前大多数微控制器均可提供ADC外设。在图3和图4中，我们看到了如何获取电池电压和电流反馈。然而，这些差分信号需要使用差分ADC进行测量，而通常微控制器中采用的是单端ADC。图4和图5所示的电路通过让微控制器接地和电源接地不同，可方便地加以修改，从而为电压、电流和温度所有3个参数生成单端信号。　　

将电池负极作为微控制器接地，这就让电压、温度和电流反馈到微控制器接地，并能进行单端ADC测量。对于电流反馈而言，需引入正偏移电压，而反馈电压在电池充电时将为负。如图5所示，电阻R3和R4提供了所需的偏移电压。

充电算法：此为闭环。CPU读取ADC上的电池电压、充电电流和温度读数，并根据充电曲线控制PWM占空比。CPU监控ADC结果和控制PWM的速度取决于环路响应时间和CPU带宽消耗之间如何平衡。

ADC参数和PWM分辨率：ADC分辨率和精确度以及PWM分辨率是在