【導(dǎo)讀】Introduction

　　

【正文】 置 NiMH 為高端領(lǐng)域中。 資料顯示 1997年在歐洲和日本電池電芯市場(chǎng)表現(xiàn)出一個(gè)變化對(duì)于鋰 離子在多數(shù)的電話的應(yīng)用中。鋰 離子的電池是一種令人興奮的電池技術(shù)必須給于高度的關(guān)注。要想 了解這些新的電池，這設(shè)計(jì)引導(dǎo)者解釋這些原則，要價(jià)需求以及符合這些需求的線路。 隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，對(duì)高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全的充電。因此需要對(duì)充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電 時(shí)間、達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。 AVR 已經(jīng)在競爭中領(lǐng)先了一步，被證明是下一代充電器的完美控制芯片。 Atmel AVR 微處理器是當(dāng)前市場(chǎng)上能夠以單片方式提供 Flash、EEPROM 和 10 位 ADC的最高效的 8 位 RISC 微處理器。由于程序存儲(chǔ)器為 Flash，因此可以不用象 MASK ROM一樣，有幾個(gè)軟件版本就庫存幾種型號(hào)。 Flash 可以在發(fā)貨之前再進(jìn)行編程，或是在 PCB貼裝之后再通過 ISP 進(jìn)行編程，從而允許在最后一分鐘進(jìn)行軟件更新。 EEPROM 可用于保存標(biāo)定系數(shù)和電池特性參數(shù)，如保存充電記錄以提高實(shí)際使用的電池容量。 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器可以提供足夠的測(cè)量精度，使得充好后的容量更接近其最大容量。而其他方案為了達(dá)到此目的，可能需要外部的ADC，不但占用 PCB 空間，也提高了系統(tǒng)成本。 AVR 是目前唯一的針對(duì)象 “ C”這樣的高級(jí)語言而設(shè)計(jì)的 8 位微處理器。 AT90S4433 參考設(shè)計(jì)就是用 “ C”寫的，說明用高級(jí)語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)是多么的簡單。 C 代碼似的此設(shè)計(jì)很容易進(jìn)行調(diào)整以適合當(dāng)前和未來的電池。而 ATtiny15 參考設(shè)計(jì)則是用匯編語言寫的，以獲得最大的代碼密度。 現(xiàn)代消費(fèi)類電器主要使用如下 四種電池： ? 密封鉛酸電池 (SLA) ? 鎳鎘電池 (NiCd) ? 鎳氫電池 (NiMH) ? 鋰電池 (LiIon) 在正確選擇電池和充電算法時(shí)需要了解這些電池的背景知識(shí)。 密封鉛酸電池 (SLA) 密封鉛酸電池主要用于成本比空間和重量更重要的場(chǎng)合，如UPS和報(bào)警系統(tǒng)的備份電池。 SLA 電池以恒定電壓進(jìn)行充電，輔以電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。只要電池單元電壓不超過生產(chǎn)商的規(guī)定 ( 典型值為)， SLA 電池可以無限制地充電。 鎳鎘電池 (NiCd) NiCd 電池目前使用得很普遍。它的優(yōu) 點(diǎn)是相對(duì)便宜，易于使用；缺點(diǎn)是自放電率比較高。典型的 NiCd 電池可以充電 1,000 次。失效機(jī)理主要是極性反轉(zhuǎn)。在電池包里第一個(gè)被完全放電的單元會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。為了防止損壞電池包，需要不間斷地監(jiān)控電壓。一旦單元電壓 下降到 就必須停機(jī)。 NiCd 電池以恒定電流的方式進(jìn)行充電。 鎳氫電池 (NiMH) 在輕重量的手持設(shè)備中如手機(jī)、手持?jǐn)z象機(jī)，等等鎳氫電池是使用最廣的。這種電池的容量比 NiCd 的大。由于過充電會(huì)造成 NiMH 電池的失效，在充電過程中進(jìn)行精確地測(cè)量以在合適的時(shí)間停止是非常重要的。和 NiCd 電池一樣，極性反轉(zhuǎn)時(shí)電池也會(huì)損壞。 NiMH 電池的自放電率大概為 20%/ 月。和 NiCd 電池一樣， NiMH 電池也為恒定電流充電。 鋰電池 (LiIon) 和本文中所述的其他電池相比，鋰電池具有最高的能量 / 重量比和能量 / 體積比。鋰電池以恒定電壓進(jìn)行充電，同時(shí)要有電流限制以避免 在充電過程的初期電池過熱。當(dāng)充電電流下降到生產(chǎn)商設(shè)定的最小電流時(shí)就要停止充電。過充電將造成電池?fù)p壞，甚至爆炸。電池的安全充電現(xiàn)代的快速充電器 ( 即電池可以在小于 3 個(gè)小時(shí)的時(shí)間里充滿電，通常是一個(gè)小時(shí) ) 需要能夠?qū)卧妷?、充電電流和電池溫度進(jìn)行精確地測(cè)量，在充滿電的同時(shí)避免由于過充電造成的損壞。充電方法 SLA 電池和鋰電池的充電方法為恒定電壓法要限流； NiCd 電池和 NiMH 電池的充電方法為恒定電流法，且具有幾個(gè)不同的停止充電的判斷方法。最大充電電流最大充電電流與電池容量 (C) 有關(guān)。最大充電電流往往 以電池容量的數(shù)值來表示。例如，電池的容量為 750 mAh，充電電流為 750 mA，則充電電流為 1C (1 倍的電池容量 )。若涓流充電時(shí)電流為 C/40，則充電電流即為電池容量除以 40。過熱電池充電是將電能傳輸?shù)诫姵氐倪^程。能量以化學(xué)反應(yīng)的方式保存了下來。但不是所有的電能都轉(zhuǎn)化為了電池中的化學(xué)能。一些電能轉(zhuǎn)化成了熱能，對(duì)電池起了加熱的作用。當(dāng)電池充滿后，若繼續(xù)充電，則所有的電能都將轉(zhuǎn)化為電池的熱能。在快速充電時(shí)這將使電池快速升溫，若不及時(shí)停止充電就會(huì)造成電池的損壞。因此，在設(shè)計(jì)電池充電器時(shí)，對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控并及時(shí) 停止充電是非常重要的。 停止充電的判別方法電池的不同應(yīng)用場(chǎng)合及工作環(huán)境限制了對(duì)判斷停止充電的方法的選擇。有時(shí)候溫度不容易測(cè)得，但可以測(cè)得電壓，或者是其他情況。本文以電壓變化率 (dV/dt) 為基本的判斷停止充電的方法，而以溫度和絕對(duì)電壓值為輔助和備份。但是本文所描述的硬件支持以下講述的所有的方法。 t – 時(shí)間這是決定何時(shí)停止充電的最簡單的方法。通常用于快速充電時(shí)的后備方案。有時(shí)也作為普通充電 (14 16 小時(shí) ) 方法的基本方案。適用于各種電池。 V – 電壓當(dāng)電壓超出上限時(shí)停止充電。通常與恒定電流 充電配合使用。最大電流由電池決定，通常為 1C。為了防止充電時(shí)電流過大導(dǎo)致電池過熱，此時(shí)電流限制是非常關(guān)鍵的。這個(gè)方法是鋰電池的基本充電和停止方案。實(shí)際鋰電池充電器往往在達(dá)到最大電壓之后還繼續(xù)進(jìn)行第二階段的充電，以達(dá)到 100% 的電池容量。對(duì)于 NiCd 電池和 NiMH 電池本方法可以作為后備的判斷停止充電方案。 dV/dt – 電壓變化率這個(gè)判斷停止充電的方法利用了負(fù)的電壓變化率。對(duì)于某些類型的電池，當(dāng)電池充滿后繼續(xù)充電將導(dǎo)致電壓的下降。此時(shí)本方案就非常合適了。這個(gè)方法通常用于恒定電流充電，適用于對(duì) NiCd 電池和 NiMH 電池的快速充電。 I – 電流當(dāng)充電電流小于某個(gè)預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)停止充電。通常用于恒定電壓充電法。適用于 SLA電池和鋰電池。 T – 溫度絕對(duì)溫度可以作為 NiCd 電池和 NiMH電池停止充電的依據(jù)，但是更適合于作為備份方案。溫度超出設(shè)定值時(shí)任何電池都得停止充電。 dT/dt – 溫度上升速率快速充電時(shí)溫度的變化率可以作為停止充電的依據(jù)。請(qǐng)參考電池生產(chǎn)商的規(guī)范 (NiCd電池的典型值為 1oC/min) – 適用于 NiCd 電池 NiMH 電池。 DT – 超出環(huán)境溫度的溫度值當(dāng)電池溫度和環(huán)境溫度 之差超過一定門限時(shí)需要停止充電。此方法可以作為 NiCd 電池和 SLA 電池停止充電的方案。在寒冷環(huán)境中充電時(shí)這個(gè)方法比絕對(duì)溫度判定法更好由于大多數(shù)系統(tǒng)往往只有一個(gè)溫度探頭，只好將充電之前的溫度作為環(huán)境溫度。 dV/dt = 0 – 零電壓差這個(gè)方法與 dV/dt 方法極其類似，而且在電壓不會(huì)再升高的情況下更準(zhǔn)確。 適用于 NiCd電池和 NiMH 電池。 本參考設(shè)計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了電池充電器設(shè)計(jì)的最新技術(shù)，可以對(duì)各種流行的電池類型進(jìn)行快速充電而無須修改硬件，從而圍繞單個(gè)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的充電器產(chǎn)品系列。只需要將新 的充電算法通過 ISP 下載到處理器的 FLASH 存儲(chǔ)器就可以得到新的型號(hào)。很顯然，這種方法可以大大縮短新產(chǎn)品上市的時(shí)間，而且只需要庫存一種硬件。本設(shè)計(jì)提供完整的適合 SLA、 NiCd、 NiMH 和 LiIon 電池的庫函數(shù)。