基於Microchip MCP19125 高彈性設計的鋰電池18W充電方案

本方案要為各位介紹一片由Microchip 所開發的混合式半數位電源開發板--ADM00745.這片開發板是基於MCP19125芯片並採用Fly-back方式設計成單通道的鋰電池充電器，非常適合初學者進入混合式半數位電源充電器的世界。擁有單通道輸出、電壓與電流雙迴路補償、還有GPIO與I2C..等介面，方便日後擴充相關的控制與通訊功能，例如可以設計成定電壓迴路(例:Power Supply)與定電流迴路(例:Battery charger, LED driver)…等等的產品。

尤其搭配Microchip 所提供的多套免費的開發軟體，讓不懂寫程式的硬體工程師，可以在短時間內不用寫一行程式就可以看到自己設定的電壓與電流輸出，(細節請參考【大大魚乾的半數位電源講堂】--4.牛刀小試之硬體與軟體設定: https://www.wpgdadatong.com/blog/detail?BID=B1310)

也可以讓不懂電源的軟體工程師看到電源的穩定輸出…諸如此類的的小小成果。這片開發板的功能非常齊全、搭配原廠提供的GUI 可以在正式開發程式前先評估電池充電的特性曲線、記錄並輸出至excel file。

 

接下來就讓我們看看一般的3.7V/18650鋰電池充電過程的介紹:

 

 

Step 1：涓流充電(Trickle, precondition)--涓流充電用來對完全放電的電池單元進行預充(恢復性充電)。

在電池電壓低於3V左右時採用涓流充電，涓流充電電流可自由設定調整、但通常會是恆流充電電流的十分之一即0.1c (以恆定充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA)。

但為了判定是否為無法充電之失效電池，故在pre-condition 階段加入計數時間，當一定的時間內沒有讓電池電壓≧3V 則可以判定該電池失效。

 

Step 2：恆流充電(Constant Current-C.C)——當電池電壓上升到預充電電壓值以上時，即提高充電電流進入恆流充電(C.C)，恆流充電的電流在0.2C至 1.0C之間、也可以設計 >1C 進入所謂的快充。

當電池電壓隨著恆流充電過程逐步升高(一般單節3.7V電池設定的電壓為3.0-4.2V)，達到4.2V則進入Step 3 的恆壓(Constant Voltage—C.V)充電。

 

Step 3：恆壓充電—— 當電池電壓上升到4.2V時，脫離恆流模式並進入恆壓充電階段。

此時充電電流會根據電芯的飽和程度，隨著充電過程慢慢減少，當減小到0.01C時判定充飽而進入充電終止Step 4。

 

 

Step 4：充電終止——通常有兩種典型的充電終止方法:

第一種是採用最小充電電流判斷或採用定時器(或者兩者的結合)。

最小電流法監視恆壓充電階段的充電電流，並在充電電流小於0.02C時終止充電。

第二種方法就是從恆壓充電階段開始時計時，持續充電N個小時後終止充電過程。

 

 

Step 5 (option): 此階段可視產品應用被選擇。

因當電池長時間期靜置在充電器或是裝置之中時，有可能內阻的關係或是設計的因素造成已充電完成之電池電壓很緩慢的下降，但除非是已經快損壞的電池，否則健康狀態下的電池自放電率非常的小，一般說來至少要半年以上才會消耗10~20%左右(視電池產品規格)，倘若是緊急照明設備的裝置，此階段是有必要存在的。

✽（C是以電池標稱容量對照電流的一種表示方法，如電池是1000mAh的容量，1C就是充電電流1000mA。）

 

MCHP DEPA 系列因為已經包含了MCU+PWM 相關的硬體控制，故在設計上相當的簡單方便，配合風味工程師的寫作能力可以輕易的設計出LED 驅動控制、電池充電器、小型不斷電系統、緊急照明燈…等等。

可以想像一下DEPA 就是將具有:Core Independent Peripheral (CIP--獨立於內核的外設)的8bit MCU + PWM IC整合成一顆「可以自己設計的電源IC」。

 

請參考下列和DEPA同為混合式半數位電源控制的CIP充電器方案，也可以達到相類似的功能:

「基于Microchip pic161777+MCP1631的智能充电器」https://www.wpgdadatong.com/solution/detail?PID=1315