本文中，我們將舉例說(shuō)明如何使用鋰離子技術(shù)來(lái)實(shí)現電池充電器。鋰離子電池充電器通常采用恒流(CC) — 恒壓(CV)充電曲線(xiàn)。充電過(guò)程會(huì )經(jīng)歷幾個(gè)不同的階段，在確保電池容量充滿(mǎn)的同時(shí)要符合特定的安全規則。CC-CV曲線(xiàn)包括以下幾個(gè)階段：

1. 預充

2. 激活

3. 恒流

4. 恒壓

充電開(kāi)始為預充階段，以檢查電池狀況是否良好。在此階段中，通常給電池提供電池容量5%到15%的少量電流，如果電池電壓上升到2.8V以上，則認為電池狀況良好，可以進(jìn)入到激活階段。在此階段中，給電池提供相同的電流，但會(huì )持續更長(cháng)的時(shí)間。當電池電壓上升到3V以上，則啟動(dòng)快充，并提供等于或低于電池容量的恒定電流。當電池電壓上升到完全充電電壓(4.2V) 時(shí)或出現超時(shí)情況（不管哪一種情況先出現），恒流階段結束。電池電壓到達完全充電電壓時(shí)，充電進(jìn)入到恒壓階段，且電池電壓保持恒定。要做到這一點(diǎn)，充電電流必須隨著(zhù)時(shí)間的推移而降低。這一階段的充電過(guò)程相比于其它充電階段而言所需的時(shí)間最長(cháng)。在這個(gè)過(guò)程中，當充電電流降到“結束電流”限度以下，通常為電池容量的2%，則電池充滿(mǎn)，充電過(guò)程結束。請注意，充電過(guò)程中每個(gè)階段都有一個(gè)時(shí)間限制，這是一個(gè)重要的安全特性。

圖1：鋰離子電池充電曲線(xiàn)

為了實(shí)施這一充電曲線(xiàn)，必須隨時(shí)了解電池電壓和充電電流。此外，還要檢查電池的溫度。因為在充電時(shí)，電池往往會(huì )變熱。如果溫度超過(guò)電池的規定限額，就可能對電池造成損害。

就電池充電器的實(shí)現方案而言，用戶(hù)可有兩個(gè)選擇。一是采用專(zhuān)門(mén)的電池充電器IC，二是采用更加通用的微控制器。第一種方案能快速解決問(wèn)題，但其可配置性和用戶(hù)界面選項（LED指示燈）有限。第二種方案采用微控制器，設計的時(shí)間會(huì )稍微長(cháng)一些，但能提供可配置性選項，并且還能集成其它功能，如電池充電狀態(tài)(SOC)計算以及通過(guò)通訊接口向系統中的主機處理器發(fā)送信息等。此外，微控制器不能提供充電器所必需的電源電路系統，而且還需要外部BJT或MOSFET。不過(guò)這些電源組件的成本相比于微控制器或專(zhuān)門(mén)的充電器IC 而言要低得多。

充電器架構

我們從充電曲線(xiàn)可以看出，單節鋰離子電池充電器需要可控的電流源。電流源輸出應當根據電池狀態(tài)而改變�？紤]到上述要求，基于微控制器的實(shí)施方案需要以下功能模塊：

1. 電流控制電路

2. 電池參數（電壓、電流、溫度）測量電路

3. 充電算法（用于實(shí)現CC—CV充電曲線(xiàn)）

方案框圖如下所示：

圖2：鋰離子電池充電器框圖

電流控制電路可采用電壓源和電流反饋技術(shù)進(jìn)行構建。其工作原理類(lèi)似于典型的負反饋控制系統。允許充電電流通過(guò)小電阻以獲得反饋，從而產(chǎn)生一定的電壓。

電壓源可采用兩種方法進(jìn)行創(chuàng )建：

1. 線(xiàn)性拓撲結構

2. 開(kāi)關(guān)：降壓或升壓拓撲結構

線(xiàn)性拓撲結構采用線(xiàn)性模式的串聯(lián)導通元件（BJT或MOSFET），如圖3所示。

圖3：線(xiàn)性拓撲結構

通過(guò)控制串聯(lián)導通晶體管Q1的偏置實(shí)現對充電電流的控制�？墒褂�數模轉換器(ADC)或脈寬調制器(PWM)配合外部RC低通濾波器來(lái)控制偏置。線(xiàn)性方法適用于充電電流(<1A)較低的情況，因為串聯(lián)導通元件會(huì )面臨功率消耗問(wèn)題。

開(kāi)關(guān)拓撲結構本身具有低功耗的優(yōu)勢，能實(shí)現較高的充電電流�；�于開(kāi)關(guān)降壓調節器的充電器如圖4所示。

圖4：開(kāi)關(guān)降壓調節器拓撲結構

充電電流由驅動(dòng)MOSFET的PWM占空比而設定。

電池參數測量電路：反饋信號需要使用ADC進(jìn)行測量，目前大多數微控制器均可提供ADC外設。在圖3和圖4中，我們看到了如何獲取電池電壓和電流反饋。然而，這些差分信號需要差分ADC進(jìn)行測量，而通常在微控制器中采用的是單端ADC。圖4和圖5所示的電路通過(guò)讓微控制器接地和電源接地不同，可方便地加以修改，從而為電壓、電流和溫度等所有3個(gè)參數生成單端信號。

圖5：采用單端ADC進(jìn)行測量

電池負端可作為微控制器接地，這就讓電壓、溫度和電流反饋可參考微控制器接地，并能進(jìn)行單端ADC測量。對于電流反饋而言，正偏移電壓需要引入，而反饋電壓在電池充電時(shí)將為負。如圖5所示，電阻R3和R4提供了所需的偏移電壓。

充電算法：這一行為將結束環(huán)路。CPU讀取ADC以獲取電壓、充電電流和溫度讀數，并根據充電曲線(xiàn)控制PWM占空比。CPU監控ADC結果與控制PWM的速度取決于環(huán)路響應時(shí)間和CPU帶寬消耗二者之間如何平衡。

ADC參數和PWM分辨率：ADC分辨率和精確度以及PWM分辨率是在設計電池充電器時(shí)應考慮到的重要參數。ADC分辨率定義了輸入電壓測量的精度（這里是指反饋電壓）。PWM分辨率則定義了改變輸出信號占空比的精度，這進(jìn)而又決定了電流控制電路的輸出電壓。鋰離子電池充電時(shí)，電池電壓需要實(shí)現準確和高精度的控制。當電池電壓接近充滿(mǎn)狀態(tài)時(shí)，這一點(diǎn)就顯得尤為重要�？煽匦匀�決于A(yíng)DC分辨率、測量的準確度以及占空比變化的細粒度。

圖5給出了采用賽普拉斯CY8C24x23 PSoC器件實(shí)施的充電器架構示例。微控制器與通用數字和模擬模塊配合使用，可配置為特定的電路功能。舉例來(lái)說(shuō)，持續時(shí)間模擬模塊可用來(lái)實(shí)施可編程增益放大器和比較器。開(kāi)關(guān)電容模擬模塊則有多種不同用途，包括濾波器、數模轉換器(DAC)和模數轉換器(ADC) 等。數字基礎模塊可用來(lái)實(shí)施PWM、計數器、定時(shí)器和緩沖器，而數字通訊模塊則可用來(lái)實(shí)施SPI、UART、IrDA RX和TX等通信接口。此外，該器件還可提供I2C模塊，可用作為主設備或從設備。

圖6所示為單節電池充電器應用的器件資源消耗情況，我們看到還有足夠的數字和模擬模塊能夠實(shí)施其它有用的功能，這就為系統提供了更多的集成選項，從而有助于降低系統成本和大小。

圖6：采用PSoC 1 (CY8C24x23)的實(shí)施方案