手把手带你构建一个CC/CV电池充电器

本文将介绍如何使用HVPAK SLG47105设计一个简单的电池充电器。所设计的充电器采用恒流/恒压(CC/CV)的方式，是一种高效开关模式的电池充电器，适用于单节至两节锂离子电池或锂聚合物电池的应用。该充电器还包括有安全操作定时器、欠压保护、过流保护和热保护。

工作原理

CC/CV电池充电方式是在充电初始阶段采用恒流充电，在充电后期当电池达到设定的充电量时切换到恒压充电的过程。

CC/CV电池充电方式的优点包括：

• 快速充电：充电初期采用直流电，可以使电池快速充电，确保更有效地利用时间。
• 电压控制：一旦达到设定的充电量，恒定的电压有助于避免电池过充，确保一个安全的充电量。
• 通用性：CC/CV方式可适用于不同类型的电池，如锂离子电池、镍氢电池等，这保证了使用该方式对不同类型电池充电的通用性。
• 充电效率：CC/CV方式实现了较高的充电效率，因为初期的恒流可以实现最大的充电电流，而后期的恒压可以保证稳定的充电电压。
• 灵活性：CC/CV方式可以根据电池类型、充电状态和其他因素适应不同的充电要求，从而让充电过程的设置更加灵活。

这种设计还有一个预充电的阶段。这是电池充电过程的第一步，用来减少将用完的电池连接到电源时的初始充电电流。

在放电的过程中，由于电池失去了电势差，内阻可能会很高。当这种被用完的电池连接到充电器时，高充电电流会导致电池端子上产生高电压，从而引发电弧并损坏电池端子或电池。

因此，预充电阶段会运用一开始有限的充电电流充电，而该电流会随着时间的推移稳定的增加，从而避免此类问题。这使得电池可以逐渐的充满电能，因而减少高电流对电池的影响。

预充电阶段普遍地用于电池充电器，特别是汽车充电器和大型电池系统的充电器。它有助于确保电池充电的安全和高效，保护电池在充电初期免受可能发生的损害。

图1显示了锂离子电池的充电曲线。

图1：锂离子电池充电曲线

图2所示为操作流程图。

图2：操作流程图

充电器还有一个LED来提示该充电过程：

• LED熄灭：未充电
• LED亮起：充电过程中
• LED闪烁：充电结束

GreenPAK设计

图3显示了GreenPAK设计。完整的设计文件可以点击这里获得。

图3：CC/CV电池充电器GreenPAK设计

如果Vusb被连接，PIN3会检测到它并给ACMP0H上电。ACMP0H检查VDD电压电平：如果高于4.5V，则输出为高电平，所有进程都可以启动。

然后ACMP1H检查Vbat电压。DFF4的输出为高电平，因此没有分压器连接到PIN20(ACMP1H的IN+源)。如果Vbat低于3V，则预充电阶段开始。PWM0发送电流，CCMP0控制电流。在这种情况下，PWM0宏单元的上/下输入为低电平，这意味着我们将从160mV开始为CCMP0 Vref充电(图4)。因此，CCMP0保持约90mA的电流。

只要ACMP1H输出为高电平(Vbat高于3V)，DFF4输出就会变为低电平，并且分压器连接到PIN20。恒流阶段开始。在这种情况下，ACMP0H会对4.2V进行比较(不是第一种情况中的3V)。PWM0的上/下输入为高电平，因此CCMP0 Vref为960mV，产生的电流约为550mA。请注意，这些电流限制可以通过改变reg文件中的Vref值或改变连接到引脚5(Sense A)的电阻来改变。

这个CC阶段持续到电池电压达到4.2V(ACMP1H输出为高电平)。然后恒流阶段停止，恒压阶段开始。在这种情况下，ACMP1H控​​制电压恒定为4.2V，CCMP1只是检查并保持电流递减且低于90mA的IBF，直到电池完全充满。当电池充满电时，充电过程停止，所有相应的模块都处于睡眠模式(CHG_Sleep为高电平)。

图4：CCMP1 Vref 的reg文件数据

此外，一旦检测到Vusb，CNT0/DLY0就会设置安全操作定时器。如果在此期间充电未完成，则CHG_Sleep转为高电平，系统就会断电。该时间由CNT0/DLY0设置，并且可以根据充电器设置和电池类型进行更改。

注：本设计描述了如何为单节电池创建一个CC/CV电池充电器。如果需要为两节电池创建充电器，请务必将VDD2增加到至少10V，并调整分压器来检查Vbat为8.4V(一节电池为4.2V)。

设计测试

图5-7分别显示了预充电、恒流和恒压阶段的充电过程。蓝色代表引脚7和引脚8的输出，红色代表Vbat+，绿色代表引脚5(Sense A)。

图5：预充电阶段

图6：恒流阶段

图7：恒压阶段

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：How to Build a CC/CV Battery Charger，由Ricardo Xie编译。)