快速移動(dòng)的電池技術(shù)給設(shè)計(jì)人員提出了一個(gè)問(wèn)題：是選擇最新技術(shù)以獲得最大性能，還是為了成熟、更可靠的技術(shù)而犧牲性能。獨(dú)立于化學(xué)成分的電池充電器的出現(xiàn)有助于解決這個(gè)問(wèn)題。

鑒于現(xiàn)代系統(tǒng)中電池類(lèi)型和充電要求的混合，獨(dú)立于化學(xué)成分的充電器是使用和維護(hù)便攜式設(shè)備的人的歡迎工具。此類(lèi)充電器檢測(cè)已安裝的電池類(lèi)型并相應(yīng)地調(diào)整充電程序。

獨(dú)立于化學(xué)成分的充電器還有其他幾個(gè)好處。例如，它們使OEM能夠跟上電池開(kāi)發(fā)的步伐，而無(wú)需昂貴的硬件更改。它們還允許用戶升級(jí)產(chǎn)品的電池而不是購(gòu)買(mǎi)設(shè)備。此外，對(duì)于與智能電池系統(tǒng) （SBS） 規(guī)范兼容的系統(tǒng)，充電器、電池和主機(jī)的指定標(biāo)準(zhǔn)接口為用戶提供了任何 SBS 兼容電池的選擇。

大多數(shù)可以為多種電池類(lèi)型充電的充電器必須能夠?qū)⑵漭敵鎏匦詮碾妷涸崔D(zhuǎn)換為電流源。它們還必須能夠監(jiān)控電池的充電電流和電壓，在某些情況下，還可以監(jiān)控電池的溫度和充電時(shí)間。

考慮充電要求

目前最常用的電池是鎳鎘、鎳氫（NiMH）、鋰離子（Li-ion）和鉛酸。鎳鎘和鎳氫類(lèi)型需要使用恒流電壓源充電。為了確定何時(shí)應(yīng)終止充電，充電器必須檢測(cè)電池電壓 （dV/dt） 或溫度 （dT/dt） 的變化。鋰離子電池和鉛酸電池需要使用電壓限制電流源充電，這些類(lèi)型的充電器必須包括一個(gè)計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器在指定的時(shí)間間隔后終止充電。這些應(yīng)用中的電流源精度通常并不重要，但對(duì)于鋰離子電池，限壓精度必須優(yōu)于1%。

需要在電壓源和電流源之間切換命令是有問(wèn)題的，因?yàn)橐笙嗷_突：充電器的輸出阻抗對(duì)于電壓源應(yīng)該很低，而對(duì)于電流源應(yīng)該很高，從而導(dǎo)致對(duì)穩(wěn)定的要求不同。這種能力很難在單個(gè)電路中實(shí)現(xiàn)。

另一方面，穩(wěn)定性通常并不重要，因?yàn)槌潆娖鞯妮敵鲭妷汉碗娏髟谡５某潆娭芷谥凶兓徛?。但是，如果充電器的輸入源看到?fù)載變化，導(dǎo)致其輸出出現(xiàn)紋波或階躍變化，就像廉價(jià)的壁式立方體電源一樣，那么環(huán)路穩(wěn)定性的妥協(xié)可能會(huì)導(dǎo)致電池充電電壓或電流出現(xiàn)過(guò)大的紋波。這個(gè)問(wèn)題對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)很?chē)?yán)重，因?yàn)殇囯x子電池需要對(duì)施加的電壓有嚴(yán)格的公差。如果鋰離子電池的充電電壓過(guò)低，則電池不會(huì)充滿電。如果太高，電池會(huì)永久損壞，這就是為什么鋰離子電池制造商通常指定充電電壓精度優(yōu)于1%的原因。

檢測(cè)電壓和溫度

對(duì)于鎳鎘和鎳氫電池，確定何時(shí)終止充電周期的首選方法是監(jiān)測(cè)電池電壓的變化。對(duì)于鎳鎘電池，端電壓在充電時(shí)保持相對(duì)恒定，然后在電池充滿電時(shí)達(dá)到峰值并下降。因此，當(dāng) dV/dt 變?yōu)樨?fù)值時(shí)，鎳鎘電池應(yīng)終止充電。鎳氫電池應(yīng)在dV/dt等于零時(shí)終止;它們的行為類(lèi)似于NiCd類(lèi)型，但電壓下降得更慢。作為確定充電結(jié)束的備用措施，鎳鎘和鎳氫電池的制造商通常建議監(jiān)測(cè)電池的溫度和電壓。

為鋰離子電池和鉛酸電池充電需要充電器先施加恒定電流，然后施加恒定電壓。充電器監(jiān)控電池電壓，以確定何時(shí)進(jìn)行此切換。鋰離子或鉛酸電池充電器還必須監(jiān)控電池電壓，以盡量減少充電器向電池施加調(diào)節(jié)電壓的時(shí)間，因?yàn)檠娱L(zhǎng)的“浮動(dòng)”間隔會(huì)損壞這些電池。因此，充電器必須對(duì)所有四種電池類(lèi)型的電池電壓進(jìn)行采樣，以確定鎳鎘和鎳氫類(lèi)型的充電結(jié)束時(shí)間，以及鉛酸和鋰離子類(lèi)型從電流到電壓調(diào)節(jié)的切換。

創(chuàng)建智能充電器

為了控制充電，所有獨(dú)立于化學(xué)成分的電池充電器都需要某種形式的“智能”駐留在電池或充電器中。例如，微控制器使“智能充電器”能夠確定電池類(lèi)型并根據(jù)需要修改其充電程序。

電池組本身不需要智能;它只需要一種方法來(lái)通知充電器其化學(xué)類(lèi)型和電池?cái)?shù)量。電池組可以使用電池組上的鍵控連接器或充電器可以讀取的存儲(chǔ)代碼來(lái)提供此信息。無(wú)論哪種方式，充電程序都可以駐留在軟件中，安裝新的電池類(lèi)型只需更新軟件即可。因此，充電器可以容納充電器首次亮相時(shí)不可用的電池類(lèi)型。

將充電程序提交到軟件還允許制造商通過(guò)軟件升級(jí)來(lái)延長(zhǎng)其產(chǎn)品的使用壽命。例如，消費(fèi)者可以通過(guò)簡(jiǎn)單地安裝電池升級(jí)附帶的軟件升級(jí)來(lái)升級(jí)電池組。軟件還允許制造商在構(gòu)建電池供電產(chǎn)品時(shí)在不更改硬件的情況下升級(jí)電池類(lèi)型。

充電控制 IC 和 μC 構(gòu)成智能充電器

您可以構(gòu)建具有低成本μC的智能充電器（如PIC16C73）和獨(dú)立于化學(xué)成分的電池充電器控制器（如MAX846）（圖1）。在這種情況下，用戶已預(yù)設(shè)充電控制器（IC1） 用于為鋰離子電池充電。集成電路1具有一個(gè)精度為 0.5% 的內(nèi)部基準(zhǔn)，可生成內(nèi)部預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)電壓（單節(jié)電池為 4.2V;兩節(jié)電池為 8.4V），控制器驅(qū)動(dòng)充電電壓和電流。

圖1.一個(gè)簡(jiǎn)單的獨(dú)立于化學(xué)成分的電池充電器結(jié)合了微控制器、IC1，帶電池充電控制器，IC2，采用線性調(diào)節(jié)。

PIC16C73 μC， 集成電路2，包括 PWM 輸出 CCP1和中共2.CCP 的過(guò)濾版本2驅(qū)動(dòng)芯片1的 V設(shè)置用于控制電壓設(shè)定點(diǎn)的引腳。中共1PWM 輸出通過(guò)設(shè)置 I 上的電壓來(lái)控制電池電流設(shè)置.使用可通過(guò)其 AN 訪問(wèn)的內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器1引腳，μC 通過(guò)測(cè)量 IC 電壓方面的電流來(lái)監(jiān)控電池電流1的 I設(shè)置針。μC 通過(guò)讀取由 R 驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器來(lái)監(jiān)控電池電壓5/R6分壓器。

μC的工作頻率為4MHz，為了達(dá)到所需的精度，其PWM輸出頻率為25kHz。每個(gè)PWM輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)RC濾波器，后接一個(gè)單位增益運(yùn)算放大器緩沖器。一個(gè)依賴(lài)于基準(zhǔn)電壓源的3.3V低壓差穩(wěn)壓器為μC（兩者均位于IC內(nèi)部1），因此μC的PWM輸出跟蹤該基準(zhǔn)電壓源。以這種方式為μC供電可提高精度，因?yàn)檫@種方法會(huì)導(dǎo)致PWM輸出跟蹤基準(zhǔn)電壓的變化。

V處的電壓設(shè)置（集成電路引腳 61），通過(guò)一個(gè) 20kΩ 電阻連接到內(nèi)部 1.65V 基準(zhǔn)，確定充電器的電壓限值。該電壓是來(lái)自μC的CCP的濾波PWM輸出2輸出，等于 3.3V 乘以 CCP2的占空比，D2:

充電器的電壓限制為 V

限制可在 V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)調(diào)整后，其中 R 的值

1在圖1中（825kΩ）使該調(diào)整范圍約為4.7%。

通過(guò)設(shè)置 CELL 的狀態(tài)2， 芯片的引腳 101，用戶將標(biāo)稱(chēng)電壓限制設(shè)置為 4.2V 或 8.4V，使充電器與單節(jié)或兩節(jié)鋰離子電池兼容。較小的調(diào)整范圍使充電器能夠適應(yīng)制造商建議的限制。限制 V調(diào)整后至V的約10%限制確保浮動(dòng)電壓的精度為 1%，即使使用 R 的 1% 電阻也是如此1.

該充電器還可以處理鎳鎘和鎳氫電池，因?yàn)樗鼈儾恍枰?dòng)電壓。這些類(lèi)型所需的最大充電電壓通常為每節(jié)電池 1.75V。因此，圖1所示的充電器可以處理多達(dá)四節(jié)電池的鎳鎘或鎳氫電池。

電流由 IC 提供1的 I設(shè)置PIN控制充電電流。電流檢測(cè)電阻兩端每毫伏的電流等于 1μA，R2.終止 I設(shè)置用電阻產(chǎn)生電壓，將該電壓調(diào)節(jié)到1.65V調(diào)節(jié)充電電流。R 的 20kΩ 值3和 R4設(shè)置 I設(shè)置阻抗為 10kΩ，空載電壓設(shè)置為 3.3 x D1，其中 D1是中共1占空比。充電電流如下：

此關(guān)系將充電電流設(shè)置為零時(shí) CCP1占空比為1，當(dāng)輸出保持高電平時(shí)。當(dāng)占空比為零時(shí)，電路提供最大充電電流。因此，最大電流為 0.165/R2= 825mA。

處理溫度影響

雖然作為獨(dú)立充電器很好，但圖1中的布置可能不適合便攜式設(shè)備，因?yàn)閜np晶體管中的功耗會(huì)產(chǎn)生溫升。該耗散等于充電電流乘以輸入電壓和電池電壓之差的乘積。通過(guò)使用開(kāi)關(guān)電源（圖 2），可以最大限度地減少這種麻煩的溫升，開(kāi)關(guān)電源的效率更高，允許從輸入電壓降壓到電池電壓，功耗更低，因此溫度更低。如圖1所示，PIC16C73 μC控制與化學(xué)無(wú)關(guān)的充電器（MAX1648）。μC 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入，AN0，通過(guò)電阻分壓器 R 監(jiān)控電池電壓4/R5，μC 的 PWM 輸出設(shè)置充電電流和電壓限值。

圖2.用開(kāi)關(guān)模式控制器代替圖1中的線性穩(wěn)壓器控制器，可以產(chǎn)生相對(duì)高效的電路，其較低的工作溫度使其可以作為便攜式系統(tǒng)的一部分工作。

為了達(dá)到鋰離子電池所需的 1% 精度，該系統(tǒng)包括一個(gè) 0.2%、4.096V 外部基準(zhǔn) IC3.此基準(zhǔn)設(shè)置 IC 的充電電平1以及通過(guò)三個(gè)SPDT模擬開(kāi)關(guān)IC2.為避免基準(zhǔn)電壓負(fù)載過(guò)大，從而影響PWM輸出精度，μC從IC內(nèi)部的5V VL穩(wěn)壓器接收電源1而不是來(lái)自引用。如圖1所示，μC的工作頻率為4MHz，PWM輸出的工作頻率為25kHz。

低通濾波器（R1/C1） 產(chǎn)生通過(guò) IC 控制充電電壓的直流電壓1的 SETV 輸入。類(lèi)似的濾波器產(chǎn)生直流電壓以控制SETI輸入端的充電電流，還包括一個(gè)1至4分壓器（R2/R3），以建立基準(zhǔn)電壓的四分之一所需的電平。精度為 5% 的電阻足以滿足 10% 精度的充電電流要求。

最大充電電壓限制為基準(zhǔn)電壓的四倍，即 16.384V。允許的最大充電電流取決于0.1Ω檢流電阻和IC內(nèi)部的檢流門(mén)限1（0.185V）： 0.185V/0.1Ω = 1.85A.充電器操作取決于 THM（引腳 9）的電壓，而 THM 又取決于 IC 中頂部開(kāi)關(guān)的位置2，其中μC的RA1輸出控制。將THM連接到熱敏電阻會(huì)導(dǎo)致IC1在電池溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)關(guān)閉。將 THM 接地可關(guān)閉充電器。

智能電池

在SBS中為電池充電所需的信息存在于電池組本身中，電池組通過(guò)控制充電器來(lái)實(shí)現(xiàn)正確的充電順序。因此，充電器和主機(jī)系統(tǒng)不需要知道電池的類(lèi)型或充電狀態(tài)。智能充電器是不必要的，但電池組必須是智能的。因此，SBS中的電池組“知道”它所需的充電算法。該組通過(guò)SMBus與充電器“對(duì)話”，SMBus是I2在系統(tǒng)內(nèi)提供通信的 C 總線。此配置適用于與 SBS 規(guī)范兼容的電池和設(shè)備。

圖3所示的電池充電器IC（MAX1647）是用于智能電池充電器的控制器，具有與智能電池規(guī)格兼容的SMBus接口。在從輸入電壓降壓至所需電壓或電流時(shí)，IC分別從DH和DL輸出為兩個(gè)外部MOSFET（開(kāi)關(guān)晶體管和同步整流器）提供驅(qū)動(dòng)。開(kāi)關(guān)模式控制器的效率高于線性型控制器，同步整流器在電池電壓較低時(shí)比二極管整流器效率更高。這些效率的提高使電路的工作溫度最小化，從而針對(duì)便攜式設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。

圖3.符合智能電池系統(tǒng)規(guī)范的化學(xué)無(wú)關(guān)電池充電器包括化學(xué)無(wú)關(guān)的充電器控制IC和SMBus接口。

為了達(dá)到必要的精度，線性電流源產(chǎn)生1mA至31mA的充電電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)模式電流源導(dǎo)通以提供更高的充電電流時(shí)，該線性源保持導(dǎo)通以確保單調(diào)性。Q1通過(guò)降低大部分I來(lái)最小化電池充電器IC的功耗外電壓。

審核編輯：郭婷