基于MCP1631HV的多功能充电器系统设计

李闯泽,胡冠华,张回园

(中北大学信息探测与处理技术研究所,太原 030051)

李闯泽(硕士研究生),主要从事信号与信息处理方面的研究。

1 概 述

随着便携式可充电应用的持续增长,对独特或者定制电池充电器设计的需求也在不断增加。除了便携式可充电应用的增长之外,电池化学也在不断进步,涌现了许多新的充电算法。

本文采用 Microchip公司的高速PWM系列器件MCP1631HV设计了一款多种充电算法并存、用户可以进行灵活配置、可以满足多种不同特性的充电电池的智能充电器。整个硬件体积大小为7 cm×6.7 cm×3 cm,可以满足目前社会对智能充电器小体积、可灵活配置以及高充电效率的需求。整个智能充电器系统的设计包括3部分:智能充电器充电算法原理、智能充电器硬件系统设计以及充电算法系统软件设计。

2 智能充电器多种充电算法原理

针对目前市面上常见的可充电电池类型,具体分析镍氢镍镉电池充电曲线以及锂离子电池充电曲线。图1是镍氢镍镉电池充电曲线特性图。

图1 镍氢镍镉电池充电曲线特性图

从图1可以看出,整个镍氢镍镉充电曲线的工作过程是:一旦MCU检测到有充电电池,就会有受控小电流或调理电流流入电池组,从而开始进行充电。如果充电的每节电池电压都在0.9 V以上,就对电池组开始快速充电或者使用高电流进行充电。对于镍氢或镍镉电池,充电电池的范围可达(甚至超过)电池容量的50%～100%。当电池到达其容量时,采取渐止充电方式完成充电周期。

当电池充电完成时,需要停止对电池组的进行充电,一般采取两种方法来判断是否停止充电:

①根据电池组温度的突然增加;

②根据电池组电压的细微下降-dV/dt。

针对镍氢镍镉电池而言,电池组电压的细微下降不容易检测,因为变化率变化非常小,但是-dT/dt变化率较大,容易检测,因此在下面的设计中对镍氢电池组采用第一种方法进行停止充电检测。

锂离子电池充电曲线特性如图2所示。锂离子电池充电之前先要进行电池校验,且在开始快速或者高电流充电之前,每块电池的电压均应大于3 V。若小于3 V,使用低值调理电流来开始充电周期。MCU一旦检测到电池电压大于3 V阈值,就将启动快速或高电流充电,随着电池电压的上升,在电池充满之前电压到达最大值。绝大多数锂离子电池的恒定电压是4.2 V,达到这个电压值以后,电池充电器变成恒压源(调节电流而不调节电压)。当处于恒压模式时,随着充电电流的降低,充电周期仍然继续;当充电电流下降到快速充电电流约7%时,停止充电。如果充电结束后电压下降到4.0 V以下,则可以开始新的充电周期。

图2 锂离子电池充电曲线特性图

针对电池充电器的功耗问题,一般有两种解决方法:线性和开关模式。为了提升智能充电器的充电效率,本文采用开关充电器的设计方法,从而将充电器的充电效率提升到85%。

目前存在诸多的开关稳压器功率拓扑:降压、升压、SEPIC以及反激式等。由于SEPIC功率拓扑结构优于其他的拓扑结构,本文采用SEPIC功率拓扑结构。具体的SEPIC功率拓扑结构如图3所示。

图3 SEPIC功率拓扑结构

3 智能充电器硬件系统设计

智能充电器是采用MCU来控制高速模拟PWM器件MCP1631HV来实现整个系统功能的。利用MCU的可编程性。通过软件编程设计来生成不同的充电算法。MCP1631HV就是针对恒流SEPIC拓扑结构应用的,它提供了一种新的高速模拟PWM。由于实现了脉宽调制,使用MCP1631HV来控制,具有模拟速度和分辨率高的好处。

在系统的硬件设计中主要包括以下3个部分:MCU核心控制和处理模块、智能充电器SEPIC模块,以及系统配置键盘输入和状态显示模块。

3.1 MCU核心控制和处理模块

MCU核心控制和处理模块设计主要包括Microchip公司PIC16F883微控制器的外围最小系统设计、MCU的外围电路和程序下载调试接口设计等。利用MCU内部自带的10位ADC对电池组充电时的温度进行采集,分配PORTA口的RA0作为温度输入端,RA4作为普通I/O口对MCP1631HV的SHDN使能端进行控制。RA5～RA7这3个输入端口作为系统配置键盘的输入,其中RA5作为充电器充电开始和停止的开关,RA6用于选择充电电池的类型,RA7用于选择充电器的电池数。PORTB口的低4位RB0～RB5作为系统工作时的指示灯,RB6和RB7是MCU的程序下载和调试接口。MCU的外围电路及其调试接口电路如图4所示。

图4 PIC16F883外围电路及其调试接口电路

3.2 智能充电器SEPIC模块

智能充电器的SEPIC功率拓扑结构部分硬件电路如图5所示。

图5中设计的SEPIC功率拓扑结构是按照第2节中所论述的原理进行设计的。主要采用了电容隔离,输入和输入之间没有直接的直流通路,在减少了功率元件使用的同时使得充电器更加安全;SEPIC转换器在输入端有一个电感L74487010,它能平滑输入电流,减少了必要的滤波,降低了源噪声;IRF7807VTRPBF内置的低侧单开关降低了MOSFET驱动和限流保护的复杂程度;对于输入电压可能高于或低于电池电压的应用,SEPIC可以对输入电压升压或者降压。

图5 SEPIC功率拓扑结构部分硬件电路

3.3 系统配置键盘输入和状态显示模块

智能充电器多功能性的实现,需要通过系统配置键盘进行用户输入配置后,才能完成相应的充电算法。系统配置键盘和状态显示电路如图6所示。

图6 系统配置键盘输入和状态显示电路

用户根据自己的需要选择相应的充电算法,通过键盘输入和LED状态指示进行相应的设置。键盘部分采用独立按键设计方法。

4 智能充电器充电算法系统软件设计

针对多种充电算法,在MCU内部通过软件编程实现了两种充电算法:镍氢镍镉电池充电算法和锂离子电池充电算法。整体软件设计流程如图7所示。在MCU上电开始工作时先对系统的I/O端口以及所使用到的内部外设资源进行设置,然后检测超级循环,不断进行电池电压、电池温度以及系统按键是否按下等的检测,并根据相应的触发条件去处理相应的事件。

5 结 论

本文基于高速模拟PWM器件MCP1631HV设计了一种智能多功能充电器,能够实现不同的充电算法,可满足市场上对多功能、小体积以及高充电效率的需求,具有一定的优势和较高的应用价值。

图7 整体软件设计流程

[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]谢楷,赵建.MSP430系列单片机系统设计与实践[M].周敏,译.北京:中国电力出版社,2004.

[5]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.