使用锂离子技术实现电池充电器

　　本文中，我们将举例说明如何使用锂离子技术来实现电池充电器。锂离子电池充电器通常采用恒流(CC) — 恒压(CV)充电曲线。充电过程会经历几个不同的阶段，在确保电池容量充满的同时要符合特定的安全规则。CC-CV曲线包括以下几个阶段：

　　1. 预充

　　2. 激活

　　3. 恒流

　　4. 恒压

　　充电开始为预充阶段，以检查电池状况是否良好。在此阶段中，通常给电池提供电池容量5%到15%的少量电流，如果电池电压上升到2.8V以上，则认为电池状况良好，可以进入到激活阶段。在此阶段中，给电池提供相同的电流，但会持续更长的时间。当电池电压上升到3V以上，则启动快充，并提供等于或低于电池容量的恒定电流。当电池电压上升到完全充电电压(4.2V) 时或出现超时情况(不管哪一种情况先出现)，恒流阶段结束。电池电压到达完全充电电压时，充电进入到恒压阶段，且电池电压保持恒定。要做到这一点，充电电流必须随着时间的推移而降低。这一阶段的充电过程相比于其它充电阶段而言所需的时间最长。在这个过程中，当充电电流降到“结束电流”限度以下，通常为电池容量的2%，则电池充满，充电过程结束。请注意，充电过程中每个阶段都有一个时间限制，这是一个重要的安全特性。

　　图1：锂离子电池充电曲线

　　为了实施这一充电曲线，必须随时了解电池电压和充电电流。此外，还要检查电池的温度。因为在充电时，电池往往会变热。如果温度超过电池的规定限额，就可能对电池造成损害。

　　就电池充电器的实现方案而言，用户可有两个选择。一是采用专门的电池充电器IC，二是采用更加通用的微控制器。第一种方案能快速解决问题，但其可配置性和用户界面选项(LED指示灯)有限。第二种方案采用微控制器，设计的时间会稍微长一些，但能提供可配置性选项，并且还能集成其它功能，如电池充电状态(SOC)计算以及通过通讯接口向系统中的主机处理器发送信息等。此外，微控制器不能提供充电器所必需的电源电路系统，而且还需要外部BJT或MOSFET。不过这些电源组件的成本相比于微控制器或专门的充电器IC 而言要低得多。

　　充电器架构

　　我们从充电曲线可以看出，单节锂离子电池充电器需要可控的电流源。电流源输出应当根据电池状态而改变。考虑到上述要求，基于微控制器的实施方案需要以下功能模块：

　　1. 电流控制电路

　　2. 电池参数(电压、电流、温度)测量电路

　　3. 充电算法(用于实现CC—CV充电曲线)

　　方案框图如下所示：

　　图2：锂离子电池充电器框图

　　电流控制电路可采用电压源和电流反馈技术进行构建。其工作原理类似于典型的负反馈控制系统。允许充电电流通过小电阻以获得反馈，从而产生一定的电压。

　　电压源可采用两种方法进行创建：

　　1. 线性拓扑结构

　　2. 开关：降压或升压拓扑结构

　　线性拓扑结构采用线性模式的串联导通元件(BJT或MOSFET)，如图3所示。

　　图3：线性拓扑结构