基于MCP1631HV的多功能充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李闖澤,胡冠華,張回園

(中北大學(xué)信息探測(cè)與處理技術(shù)研究所,太原 030051)

李闖澤(碩士研究生),主要從事信號(hào)與信息處理方面的研究。

1 概 述

隨著便攜式可充電應(yīng)用的持續(xù)增長(zhǎng),對(duì)獨(dú)特或者定制電池充電器設(shè)計(jì)的需求也在不斷增加。除了便攜式可充電應(yīng)用的增長(zhǎng)之外,電池化學(xué)也在不斷進(jìn)步,涌現(xiàn)了許多新的充電算法。

本文采用 Microchip公司的高速PWM系列器件MCP1631HV設(shè)計(jì)了一款多種充電算法并存、用戶可以進(jìn)行靈活配置、可以滿足多種不同特性的充電電池的智能充電器。整個(gè)硬件體積大小為7 cm×6.7 cm×3 cm,可以滿足目前社會(huì)對(duì)智能充電器小體積、可靈活配置以及高充電效率的需求。整個(gè)智能充電器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括3部分:智能充電器充電算法原理、智能充電器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及充電算法系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

2 智能充電器多種充電算法原理

針對(duì)目前市面上常見(jiàn)的可充電電池類(lèi)型,具體分析鎳氫鎳鎘電池充電曲線以及鋰離子電池充電曲線。圖1是鎳氫鎳鎘電池充電曲線特性圖。

圖1 鎳氫鎳鎘電池充電曲線特性圖

從圖1可以看出,整個(gè)鎳氫鎳鎘充電曲線的工作過(guò)程是:一旦MCU檢測(cè)到有充電電池,就會(huì)有受控小電流或調(diào)理電流流入電池組,從而開(kāi)始進(jìn)行充電。如果充電的每節(jié)電池電壓都在0.9 V以上,就對(duì)電池組開(kāi)始快速充電或者使用高電流進(jìn)行充電。對(duì)于鎳氫或鎳鎘電池,充電電池的范圍可達(dá)(甚至超過(guò))電池容量的50%～100%。當(dāng)電池到達(dá)其容量時(shí),采取漸止充電方式完成充電周期。

當(dāng)電池充電完成時(shí),需要停止對(duì)電池組的進(jìn)行充電,一般采取兩種方法來(lái)判斷是否停止充電:

①根據(jù)電池組溫度的突然增加;

②根據(jù)電池組電壓的細(xì)微下降-dV/dt。

針對(duì)鎳氫鎳鎘電池而言,電池組電壓的細(xì)微下降不容易檢測(cè),因?yàn)樽兓首兓浅Ｐ?但是-dT/dt變化率較大,容易檢測(cè),因此在下面的設(shè)計(jì)中對(duì)鎳氫電池組采用第一種方法進(jìn)行停止充電檢測(cè)。

鋰離子電池充電曲線特性如圖2所示。鋰離子電池充電之前先要進(jìn)行電池校驗(yàn),且在開(kāi)始快速或者高電流充電之前,每塊電池的電壓均應(yīng)大于3 V。若小于3 V,使用低值調(diào)理電流來(lái)開(kāi)始充電周期。MCU一旦檢測(cè)到電池電壓大于3 V閾值,就將啟動(dòng)快速或高電流充電,隨著電池電壓的上升,在電池充滿之前電壓到達(dá)最大值。絕大多數(shù)鋰離子電池的恒定電壓是4.2 V,達(dá)到這個(gè)電壓值以后,電池充電器變成恒壓源(調(diào)節(jié)電流而不調(diào)節(jié)電壓)。當(dāng)處于恒壓模式時(shí),隨著充電電流的降低,充電周期仍然繼續(xù);當(dāng)充電電流下降到快速充電電流約7%時(shí),停止充電。如果充電結(jié)束后電壓下降到4.0 V以下,則可以開(kāi)始新的充電周期。

圖2 鋰離子電池充電曲線特性圖

針對(duì)電池充電器的功耗問(wèn)題,一般有兩種解決方法:線性和開(kāi)關(guān)模式。為了提升智能充電器的充電效率,本文采用開(kāi)關(guān)充電器的設(shè)計(jì)方法,從而將充電器的充電效率提升到85%。

目前存在諸多的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器功率拓?fù)?降壓、升壓、SEPIC以及反激式等。由于SEPIC功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)于其他的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),本文采用SEPIC功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具體的SEPIC功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 SEPIC功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 智能充電器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能充電器是采用MCU來(lái)控制高速模擬PWM器件MCP1631HV來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的。利用MCU的可編程性。通過(guò)軟件編程設(shè)計(jì)來(lái)生成不同的充電算法。MCP1631HV就是針對(duì)恒流SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用的,它提供了一種新的高速模擬PWM。由于實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制,使用MCP1631HV來(lái)控制,具有模擬速度和分辨率高的好處。

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中主要包括以下3個(gè)部分:MCU核心控制和處理模塊、智能充電器SEPIC模塊,以及系統(tǒng)配置鍵盤(pán)輸入和狀態(tài)顯示模塊。

3.1 MCU核心控制和處理模塊

MCU核心控制和處理模塊設(shè)計(jì)主要包括Microchip公司PIC16F883微控制器的外圍最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、MCU的外圍電路和程序下載調(diào)試接口設(shè)計(jì)等。利用MCU內(nèi)部自帶的10位ADC對(duì)電池組充電時(shí)的溫度進(jìn)行采集,分配PORTA口的RA0作為溫度輸入端,RA4作為普通I/O口對(duì)MCP1631HV的SHDN使能端進(jìn)行控制。RA5～RA7這3個(gè)輸入端口作為系統(tǒng)配置鍵盤(pán)的輸入,其中RA5作為充電器充電開(kāi)始和停止的開(kāi)關(guān),RA6用于選擇充電電池的類(lèi)型,RA7用于選擇充電器的電池?cái)?shù)。PORTB口的低4位RB0～RB5作為系統(tǒng)工作時(shí)的指示燈,RB6和RB7是MCU的程序下載和調(diào)試接口。MCU的外圍電路及其調(diào)試接口電路如圖4所示。

圖4 PIC16F883外圍電路及其調(diào)試接口電路

3.2 智能充電器SEPIC模塊

智能充電器的SEPIC功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部分硬件電路如圖5所示。

圖5中設(shè)計(jì)的SEPIC功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是按照第2節(jié)中所論述的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。主要采用了電容隔離,輸入和輸入之間沒(méi)有直接的直流通路,在減少了功率元件使用的同時(shí)使得充電器更加安全;SEPIC轉(zhuǎn)換器在輸入端有一個(gè)電感L74487010,它能平滑輸入電流,減少了必要的濾波,降低了源噪聲;IRF7807VTRPBF內(nèi)置的低側(cè)單開(kāi)關(guān)降低了MOSFET驅(qū)動(dòng)和限流保護(hù)的復(fù)雜程度;對(duì)于輸入電壓可能高于或低于電池電壓的應(yīng)用,SEPIC可以對(duì)輸入電壓升壓或者降壓。

圖5 SEPIC功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部分硬件電路

3.3 系統(tǒng)配置鍵盤(pán)輸入和狀態(tài)顯示模塊

智能充電器多功能性的實(shí)現(xiàn),需要通過(guò)系統(tǒng)配置鍵盤(pán)進(jìn)行用戶輸入配置后,才能完成相應(yīng)的充電算法。系統(tǒng)配置鍵盤(pán)和狀態(tài)顯示電路如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)配置鍵盤(pán)輸入和狀態(tài)顯示電路

用戶根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)的充電算法,通過(guò)鍵盤(pán)輸入和LED狀態(tài)指示進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。鍵盤(pán)部分采用獨(dú)立按鍵設(shè)計(jì)方法。

4 智能充電器充電算法系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)多種充電算法,在MCU內(nèi)部通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了兩種充電算法:鎳氫鎳鎘電池充電算法和鋰離子電池充電算法。整體軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。在MCU上電開(kāi)始工作時(shí)先對(duì)系統(tǒng)的I/O端口以及所使用到的內(nèi)部外設(shè)資源進(jìn)行設(shè)置,然后檢測(cè)超級(jí)循環(huán),不斷進(jìn)行電池電壓、電池溫度以及系統(tǒng)按鍵是否按下等的檢測(cè),并根據(jù)相應(yīng)的觸發(fā)條件去處理相應(yīng)的事件。

5 結(jié) 論

本文基于高速模擬PWM器件MCP1631HV設(shè)計(jì)了一種智能多功能充電器,能夠?qū)崿F(xiàn)不同的充電算法,可滿足市場(chǎng)上對(duì)多功能、小體積以及高充電效率的需求,具有一定的優(yōu)勢(shì)和較高的應(yīng)用價(jià)值。

圖7 整體軟件設(shè)計(jì)流程

[1]Microchip Inc.MCP1631HV Digitally Controlled Programmable Current Source Reference Design,2009.

[2]Microchip Inc.MCP1631HV/MCP1631 Data Sheet,2009.

[3]Microchip Inc.PIC16F883/4/5/6/7 Data Sheet,2009.

[4]謝楷,趙建.MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].周敏,譯.北京:中國(guó)電力出版社,2004.

[5]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.