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许多手持设备设计人员会被为新产品选择合适化学性能的电池而苦恼。在某些应用中，设计工程师已经开始从使用低密度的基于镍的化学电池向使用密度更高的锂离子解决方案过渡。而在其他应用中，情况则正好相反：一些应用正在从使用锂离子材料向使用镍氢材料转变。电池的选择会对用户和设计人员产生显著影响，具体表现在成本、便携性、安全性和产品寿命方面。正如我们从消费者体验中所知，并非所有可充电手持设备都具有相同的电池寿命。不适当的充电算法会缩短设备的寿命。本文介绍一种开发可编程设计电池充电器的方法，通过此方法开发出的充电器适用于具有各种化学性能的可充电电池。此方法可以轻松适应不断涌现的新化学性能电池和充电方法。
图1显示了典型锂离子电池的典型充电特性曲线。图2显示了典型镍氢电池的充电特性曲线。对于许多应用而言，有必要修改典型充电特性曲线。在这些情况下，可使用基于单片机的混合信号设计来开发可编程设计充电算法。
锂离子电池使用恒流和恒压特性曲线所描述的方法进行充电。在对锂离子电池充电之前，会先进行充电条件判断过程。此过程会测量电池的电压以确定电池是否已被深度放电(一般而言，每节低于2.4V～3.2V为深度放电)。如果电池已被深度放电，充电周期会从预充电电流开始，此电流通常是快速充·电时恒流值的5％～25％。一旦电池电压超过预充电阈值，便会开始此充电特性曲线所描述的恒流充电阶段(见图1)。在此特性曲线的恒流充电阶段，电池的电压升高。一旦电压达到所需的恒压，充电器就必须从恒流(constant-current，cc)模式转换至恒压(constant--VoItage，CV)模式。
在恒压充电阶段，当充电电流降低到快速充电恒流值的某个百分比时。充电终止。在本例中，使用20％的快速充电恒流值作为充电终止电流。制造商建议设置7％～30％间的任意值，以获得最佳的电池寿命和容量性能。这样便完成了锂离子电池的典型充电过程。
除了要形成充电周期恒流阶段和恒压阶段的特性曲线，还应该在所有电池充电器的设计中加入重要的安全功能。可行的做法有加入安全定时器以及限制充电器在充电周期特定部分所耗费的时间量。例如，限制充电器在预充电阶段尝试对深度放电电池进行预充电所耗费的时间量，或充电器将在充电周期的高恒流充电阶段或恒压充电阶段耗费的时间量。此外，限制恒流充电阶段的电压和恒压充电阶段的电流也是所有电池充电器的重要安全措施。
如图2中所示，镍氢／镍镉电池的充电特性曲线与锂离子电池的充电特性曲线存在显着差异，尽管对于深度放电的电池它们均以较小的预充电流开始充电。
镍氢电池和锂离子电池的充电结束检测方法也不相同。对于镍氢电池，通过测量电池组电压的降低或电池组温度的升高来检测充电结束。电池组电压不断降低或温度加速升高均表明充电周期的快速充电电流阶段已结束，充电器应过渡到充电周期的渐止阶段。充电周期渐止阶段也采用恒流充电，不过充电电流较小且充电时间固定。通常，该恒流的范围可以是快速充电电流值的5％～20％。对于镍氢电池，安全定时器、充电电流限制和输出过压保护均是非常重要的功能，这些和锂离子电池充电器相同。
如果需要设计能形成可编程设计充电特性曲线的电池充电器，且该充电器能用于单节电池或多节电池组，锂离子或镍氢电池将是不二之选。此项任务的着手点是要形成这样的概念：用于为锂离子电池和镍氢电池充电的电源管理系统可将恒流源用于这两种电池充电过程的所有阶段，但锂离子电池的恒压充电阶段除外。在此阶段中，充电器的输出电压对锂离子电池组来说保持不变。可使用更新率较低的简单数字控制环，以能够使电压保持恒定的速率来对电池电流进行程序设计。
在图3中，两个主要模块描述了混合模式的模拟／数字多化学性能电池充电器。可编程设计电流源模块用于产生恒流源的模拟功率传输电路——其输出电流由单片机模块设定。单片机模块由两路模数转换器(Ahalog-to-Digital，ADC)输入和一路输出组成，该输出能够设置模拟功率传输电路的电流和充电周期定时器。在单片机对电池的电压和温度进行采样后，会计算出新的电流设置点。此采样率和计算速度可能相对较慢，因为电池正使用稳压后的恒流源进行充电，使得其电压不会变化得非常快。模拟功率传输电路的响应会在输入电压发生瞬变以及电池和负载有任何动态变化时调节电流。功率传输电路的控制系统性能要求基于输入电压变化的速率和幅度。
设计可编程设计充电算法应从电源系统开始着手。对于此应用，选择单端初级电感转换器(SingleEnded Primary Inductive Converter，SEPIC)作为功率传输电路。此电路可用于在调节电池输入电流时步进式地升高或降低输入电压。
SEPIC电路具备的某些特性能满足电池充电器应用的需要。首先，降压和升压能力使其适用于宽范围的输入电压和种类广泛的电池。例如，如果使用USB或经稳压的5V输入来对3节镍氢电池组进行充电，输入电压可高于放电后电池组的电压(2.7V，每节0.9V)，或低于最终充电电压5.2V。
SEPIC功率传输电路的其他好处包括：持续改善输入电流，降低输入噪声，输出二极管阻断，电池反向放电路径，用于防止充电器输出短路的低压侧电流检测，以及与SEPIC次级电感串联的充电器电流检测。通过对SEPIC次级电感中的电流进行检测，而不在电池放电路径中放置检测电阻，放电效率会更高。
模拟恒流源拓扑的设计非常依赖于输入电压范围、输出或电池组电压范围以及最大快速充电电流。对于典型的1A～3A快速充电电流和最高为8.4V的电池组电压，转换器的输出功率被限制在24W以内。由于此功率相对较低，而且某些应用条件下输入电压会高于或低于电池组电压，因此对于转换器来说，一个不错的选择是采用可快速或逐步升高及降低电压的拓扑来对电池组进行充电。图4中的原理图显示了可编程设计电流源SEPIC应用中所使用的MCP1631HV高速PWM器件。MCP1631HV集成了高速模拟PWM；具有10倍增益的反相电流检测放大器，低静态电流电压缓冲放大器，高速过压保护比较器，低静态电流线性稳压器(用于为单片机和MCPl631的内部电路供电)以及低静态电流关断功能。
对于PWM器件的可编程设计电流源输出，可通过修改其参考电压来进行设置和调节。增加器件输入端的参考电压时，其脉宽输出会增大，从而导致输出电流增大。模拟控制环由PWM器件的内部放大器组成，可控制PWM占空比以调节输出电流。
如何开发电池充电器的功能
图5展示了可程序设计恒流源的简化框图。通过观察可以发现，流经SEPIC转换器中L1B的平均电流等 于流入所连接电池负载的平均电流。通过插入一个低值功率电阻与L1B串联，根据图标极性的电压降便可检测到电池电流。为使效率最大化，应使用低值电阻。小的压降相对于接地端是负值，反相10倍增益放大器用于翻转并增大信号电平。通过将一1 Ox IBATT输出连接到FB引脚或误差放大器的反相输入端，并将由单片机产生的可编程设计参考信号连接到非反相输入端，放大器输出将搜寻使这两路输入相等的值，从而强制流入电池的电流与由单片机生成的VREF电压成正比。通过增大VREF信号，流入电池的充电电流会增大。
将误差放大器的输出与主SEPIC开关的峰值电流进行比较。通过将误差放大器的输出限制为2.7V／3(即0.9V)，开关的峰值电流会保护充电器免遭电池或输出短路破坏。从检测峰值电流限制到关闭主SEPIC开关之间的延迟对于保护功率传输电路而言尤为关键。
在恒压充电阶段和充电终止时，使用单片机的一个ADC输入来检测电池电压的输出。图6显示了镍氢电池稳压环和充电终止电路的简化框图。
对于锂离子电池，通过ADC电压输入来检测电池组电压，从而对充电器的输出电压进行稳压。缓冲放大器用于缓冲电池分压电阻检测，因此，可采用阻值很高的电阻来尽量避免电池在放电过程中任何不必要的电量泄露。稳压算法包括测量电池电压以及求测量值的平均值。如果该值高于4.2V，则将VREF PWM递减1位以减小充电电流。减小电流将使电池的电压下降。随着电池充电的继续，检测到的电压将升至高于4.2V，从而导致电流再次下降。一旦电流达到单片机固件中预设的终止值，充电周期即会终止。整个充电过程都将启动温度监控，以防止对温度超出指定工作范围的电池充电。
由于锂离子电池的稳压容差对容量和安全性至关重要，可使用校准方法来去除容差、偏压和偏流的初始误差。可通过对充电器的输出施加精确的4.2V源来实现校准。在校准模式下，ADC将读取所施加的电压并将数值存储在匪内存内。存储的数值用于在充电周期的CV阶段与电池组的ADC读数进行比较。可编程设计电流会被更新，以使充电器的输出与存储的校准值保持一致。
对于镍氢电池，在检测到电池组的电压和温度时设置快速充电电流。快速电流充电过程中的快速升温或电压降低表明电池已达到其容量并且应终止快速充电周期，如图2中所示。通常，通过定时的渐止充电来完成充电周期，渐止充电的电流为快速充电电流的5％～10％。通过减小误差放大器的VREF输入来实现此目的。如果电池在充电过程中被取下或与输出断开，SEPIC恒流源会将充电器的输出电压骤升至可损坏电路的电平。为了防止发生此情况，使用比较器检测电压并终止SEPIC开关的PWM-输入。这会关闭充电器，直到电压降低至比较器的迟滞点以下，从而将开路输出电压调整至安全值。
可通过多种方法来产生可编程设计参考信号以设置电流。常用方法包括使用数模转换器(DigitaI to-Analog Converter，DAC)、数字电位计和滤波脉宽调制电路。对于此应用，采用的是10位固件生成的脉宽调制方法。通过在PWM引脚施加脉冲和使用Rc电路进行滤波，可将参考电压看做PWM占空比或导通时间相对于周期的仿真表现。通过增加PWM占空比或导通时间，模拟电压会增大，从而使流入电池组的充电电流增大。同理，通过降低占空比，流入电池组的充电电流将会减小。
通过增加电池寿命，允许使用多化学材料、改善可充电次数和提高便携式电源系统的可靠性，设计人员可以设计出类型各异的高标准便携式电源应用。本文介绍的多化学性能电池充电器方法使得设计人员和消费者可根据其自身应用灵活选择最重要的特性。通过降低镍氢电池的快速充电速率或锂离子电池的恒压稳定点，充电周期数和系统的可靠性会得到改善，但代价是更长的充电周期和更短的设备运行时间。在某些情况下，如果设计人员能够为特定应用选择合适的化学性能电池组，从而优化其设备，这将会大有好处。凭借这种灵活性，可以形成专属的充电特性曲线，使得设计人员能够向市场推出性能各异的产品。
图1显示了典型锂离子电池的典型充电特性曲线。图2显示了典型镍氢电池的充电特性曲线。对于许多应用而言，有必要修改典型充电特性曲线。在这些情况下，可使用基于单片机的混合信号设计来开发可编程设计充电算法。
锂离子电池使用恒流和恒压特性曲线所描述的方法进行充电。在对锂离子电池充电之前，会先进行充电条件判断过程。此过程会测量电池的电压以确定电池是否已被深度放电(一般而言，每节低于2.4V～3.2V为深度放电)。如果电池已被深度放电，充电周期会从预充电电流开始，此电流通常是快速充·电时恒流值的5％～25％。一旦电池电压超过预充电阈值，便会开始此充电特性曲线所描述的恒流充电阶段(见图1)。在此特性曲线的恒流充电阶段，电池的电压升高。一旦电压达到所需的恒压，充电器就必须从恒流(constant-current，cc)模式转换至恒压(constant--VoItage，CV)模式。
在恒压充电阶段，当充电电流降低到快速充电恒流值的某个百分比时。充电终止。在本例中，使用20％的快速充电恒流值作为充电终止电流。制造商建议设置7％～30％间的任意值，以获得最佳的电池寿命和容量性能。这样便完成了锂离子电池的典型充电过程。
除了要形成充电周期恒流阶段和恒压阶段的特性曲线，还应该在所有电池充电器的设计中加入重要的安全功能。可行的做法有加入安全定时器以及限制充电器在充电周期特定部分所耗费的时间量。例如，限制充电器在预充电阶段尝试对深度放电电池进行预充电所耗费的时间量，或充电器将在充电周期的高恒流充电阶段或恒压充电阶段耗费的时间量。此外，限制恒流充电阶段的电压和恒压充电阶段的电流也是所有电池充电器的重要安全措施。
如图2中所示，镍氢／镍镉电池的充电特性曲线与锂离子电池的充电特性曲线存在显着差异，尽管对于深度放电的电池它们均以较小的预充电流开始充电。
镍氢电池和锂离子电池的充电结束检测方法也不相同。对于镍氢电池，通过测量电池组电压的降低或电池组温度的升高来检测充电结束。电池组电压不断降低或温度加速升高均表明充电周期的快速充电电流阶段已结束，充电器应过渡到充电周期的渐止阶段。充电周期渐止阶段也采用恒流充电，不过充电电流较小且充电时间固定。通常，该恒流的范围可以是快速充电电流值的5％～20％。对于镍氢电池，安全定时器、充电电流限制和输出过压保护均是非常重要的功能，这些和锂离子电池充电器相同。
如果需要设计能形成可编程设计充电特性曲线的电池充电器，且该充电器能用于单节电池或多节电池组，锂离子或镍氢电池将是不二之选。此项任务的着手点是要形成这样的概念：用于为锂离子电池和镍氢电池充电的电源管理系统可将恒流源用于这两种电池充电过程的所有阶段，但锂离子电池的恒压充电阶段除外。在此阶段中，充电器的输出电压对锂离子电池组来说保持不变。可使用更新率较低的简单数字控制环，以能够使电压保持恒定的速率来对电池电流进行程序设计。
在图3中，两个主要模块描述了混合模式的模拟／数字多化学性能电池充电器。可编程设计电流源模块用于产生恒流源的模拟功率传输电路——其输出电流由单片机模块设定。单片机模块由两路模数转换器(Ahalog-to-Digital，ADC)输入和一路输出组成，该输出能够设置模拟功率传输电路的电流和充电周期定时器。在单片机对电池的电压和温度进行采样后，会计算出新的电流设置点。此采样率和计算速度可能相对较慢，因为电池正使用稳压后的恒流源进行充电，使得其电压不会变化得非常快。模拟功率传输电路的响应会在输入电压发生瞬变以及电池和负载有任何动态变化时调节电流。功率传输电路的控制系统性能要求基于输入电压变化的速率和幅度。
设计可编程设计充电算法应从电源系统开始着手。对于此应用，选择单端初级电感转换器(SingleEnded Primary Inductive Converter，SEPIC)作为功率传输电路。此电路可用于在调节电池输入电流时步进式地升高或降低输入电压。
SEPIC电路具备的某些特性能满足电池充电器应用的需要。首先，降压和升压能力使其适用于宽范围的输入电压和种类广泛的电池。例如，如果使用USB或经稳压的5V输入来对3节镍氢电池组进行充电，输入电压可高于放电后电池组的电压(2.7V，每节0.9V)，或低于最终充电电压5.2V。
SEPIC功率传输电路的其他好处包括：持续改善输入电流，降低输入噪声，输出二极管阻断，电池反向放电路径，用于防止充电器输出短路的低压侧电流检测，以及与SEPIC次级电感串联的充电器电流检测。通过对SEPIC次级电感中的电流进行检测，而不在电池放电路径中放置检测电阻，放电效率会更高。
模拟恒流源拓扑的设计非常依赖于输入电压范围、输出或电池组电压范围以及最大快速充电电流。对于典型的1A～3A快速充电电流和最高为8.4V的电池组电压，转换器的输出功率被限制在24W以内。由于此功率相对较低，而且某些应用条件下输入电压会高于或低于电池组电压，因此对于转换器来说，一个不错的选择是采用可快速或逐步升高及降低电压的拓扑来对电池组进行充电。图4中的原理图显示了可编程设计电流源SEPIC应用中所使用的MCP1631HV高速PWM器件。MCP1631HV集成了高速模拟PWM；具有10倍增益的反相电流检测放大器，低静态电流电压缓冲放大器，高速过压保护比较器，低静态电流线性稳压器(用于为单片机和MCPl631的内部电路供电)以及低静态电流关断功能。
对于PWM器件的可编程设计电流源输出，可通过修改其参考电压来进行设置和调节。增加器件输入端的参考电压时，其脉宽输出会增大，从而导致输出电流增大。模拟控制环由PWM器件的内部放大器组成，可控制PWM占空比以调节输出电流。
如何开发电池充电器的功能
图5展示了可程序设计恒流源的简化框图。通过观察可以发现，流经SEPIC转换器中L1B的平均电流等 于流入所连接电池负载的平均电流。通过插入一个低值功率电阻与L1B串联，根据图标极性的电压降便可检测到电池电流。为使效率最大化，应使用低值电阻。小的压降相对于接地端是负值，反相10倍增益放大器用于翻转并增大信号电平。通过将一1 Ox IBATT输出连接到FB引脚或误差放大器的反相输入端，并将由单片机产生的可编程设计参考信号连接到非反相输入端，放大器输出将搜寻使这两路输入相等的值，从而强制流入电池的电流与由单片机生成的VREF电压成正比。通过增大VREF信号，流入电池的充电电流会增大。
将误差放大器的输出与主SEPIC开关的峰值电流进行比较。通过将误差放大器的输出限制为2.7V／3(即0.9V)，开关的峰值电流会保护充电器免遭电池或输出短路破坏。从检测峰值电流限制到关闭主SEPIC开关之间的延迟对于保护功率传输电路而言尤为关键。
在恒压充电阶段和充电终止时，使用单片机的一个ADC输入来检测电池电压的输出。图6显示了镍氢电池稳压环和充电终止电路的简化框图。
对于锂离子电池，通过ADC电压输入来检测电池组电压，从而对充电器的输出电压进行稳压。缓冲放大器用于缓冲电池分压电阻检测，因此，可采用阻值很高的电阻来尽量避免电池在放电过程中任何不必要的电量泄露。稳压算法包括测量电池电压以及求测量值的平均值。如果该值高于4.2V，则将VREF PWM递减1位以减小充电电流。减小电流将使电池的电压下降。随着电池充电的继续，检测到的电压将升至高于4.2V，从而导致电流再次下降。一旦电流达到单片机固件中预设的终止值，充电周期即会终止。整个充电过程都将启动温度监控，以防止对温度超出指定工作范围的电池充电。
由于锂离子电池的稳压容差对容量和安全性至关重要，可使用校准方法来去除容差、偏压和偏流的初始误差。可通过对充电器的输出施加精确的4.2V源来实现校准。在校准模式下，ADC将读取所施加的电压并将数值存储在匪内存内。存储的数值用于在充电周期的CV阶段与电池组的ADC读数进行比较。可编程设计电流会被更新，以使充电器的输出与存储的校准值保持一致。
对于镍氢电池，在检测到电池组的电压和温度时设置快速充电电流。快速电流充电过程中的快速升温或电压降低表明电池已达到其容量并且应终止快速充电周期，如图2中所示。通常，通过定时的渐止充电来完成充电周期，渐止充电的电流为快速充电电流的5％～10％。通过减小误差放大器的VREF输入来实现此目的。如果电池在充电过程中被取下或与输出断开，SEPIC恒流源会将充电器的输出电压骤升至可损坏电路的电平。为了防止发生此情况，使用比较器检测电压并终止SEPIC开关的PWM-输入。这会关闭充电器，直到电压降低至比较器的迟滞点以下，从而将开路输出电压调整至安全值。
可通过多种方法来产生可编程设计参考信号以设置电流。常用方法包括使用数模转换器(DigitaI to-Analog Converter，DAC)、数字电位计和滤波脉宽调制电路。对于此应用，采用的是10位固件生成的脉宽调制方法。通过在PWM引脚施加脉冲和使用Rc电路进行滤波，可将参考电压看做PWM占空比或导通时间相对于周期的仿真表现。通过增加PWM占空比或导通时间，模拟电压会增大，从而使流入电池组的充电电流增大。同理，通过降低占空比，流入电池组的充电电流将会减小。
通过增加电池寿命，允许使用多化学材料、改善可充电次数和提高便携式电源系统的可靠性，设计人员可以设计出类型各异的高标准便携式电源应用。本文介绍的多化学性能电池充电器方法使得设计人员和消费者可根据其自身应用灵活选择最重要的特性。通过降低镍氢电池的快速充电速率或锂离子电池的恒压稳定点，充电周期数和系统的可靠性会得到改善，但代价是更长的充电周期和更短的设备运行时间。在某些情况下，如果设计人员能够为特定应用选择合适的化学性能电池组，从而优化其设备，这将会大有好处。凭借这种灵活性，可以形成专属的充电特性曲线，使得设计人员能够向市场推出性能各异的产品。