动力电池充电器应用须知

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1、 动力电池充电器应用须知动力电池充电器应用须知 AN0441S V1.00 1/ 6 2016-12-09 动力电池充电器应用须知动力电池充电器应用须知 文件编码：文件编码：ANAN04410441S S 简介简介 电池充电器泛指将交流电转换成低压直流电，对电池进行充电的设备，充电器在各个领域用途广泛，依应用种类不同，可区分为数码充电器及动力电池充电器。在传统充电器应用中，因缺少 MCU 做充电管理，无法对电池充电曲线精准控制，容易造成电池过充或没充饱等情况，影响电池使用寿命。 HOLTEK 在动力电池充电器领域推出专用 MCU，除了解决传统充电曲线控制不佳外，MCU并内置充电器管理模块(Ba

2、ttery Charge Module)，能精准控制充电电压及电流，并取代传统电路需外置 OPA 及 TL431 等元件。配合充电器生产治具，能将充电电压及电流校正参数写入至内置 EEPROM，省去传统人工校正，提高生产效率。以下将对动力型充电器应用架构及HOLTEK MCU 优势进行说明。 工作原理工作原理 分别从电池充电方式及 MCU 充电控制原理两部份进行说明。 电池充电阶段说明电池充电阶段说明 充电电池(Rechargeable battery )种类分为锂电池、铅酸电池等，可区分为四个充电阶段，分别为涓流充电、恒流充电、恒压充电以及涓流浮充。 充电电池充电曲线充电电池充电曲线 动力电

3、池充电器应用须知动力电池充电器应用须知 AN0441S V1.00 2/ 6 2016-12-09 以下以铅酸电池为例，说明充电阶段如下： 阶段一：涓流充电 当电池电压低于放电截止电压VU时，若直接进入较大电流充电的恒流充电模式，容易造成电池发烫进而导致电池热损。故阶段一须以小电流进行涓流充电，而理想电流大小约为 0.1C(C为充电电池容量)。 阶段二：恒流充电 当电池电压上升至VU即可切换至恒流充电，常见的充电器多采用 0.51C快速充电。此时电压快速上升，须持续监测电池电压是否大于 0.51C充电电流下的充电截止电压VOFF，若满足此条件则可切换至恒压充电模式。 阶段三：恒压充电 进入恒压

4、充电时须维持充电电压在VOFF， 此时充电电流慢慢下降， 当充电电流降至IU(0.1C)表示电池已充饱，充电器进入涓流浮充。 阶段四：涓流浮充 为补偿电池自放电造成的电量损失，在完成恒压充电后会进入涓流浮充，以小电流方式充电，常见涓流浮充电流为 0.05C。由于此阶段为自放电补偿，故须特别监测电池温度调整涓充电流，避免电池过充造成危险。 MCUMCU 充电控制原理说明充电控制原理说明 传统的返驰式(Flyback)充电器架构在一次侧使用 PWM IC(如：UC3842/3844 等)，经由变压器达到隔离二次侧输出目的， 并搭配 OPA、 TL431 等元件， 将二次侧当前输出电压/电流情况，由

5、光耦合器反馈至一次侧 PWM IC，进行闭回路控制(close loop control)。 以下以 HOLTEK MCU HT45F5R 为例，依序说明恒压(CV)、恒流(CC)等充电阶段与过电压/电流保护(OVP/OCP)功能。 电池充电模块电池充电模块 电池充电模块内置 OPA1 误差放大器，能将当前输出电压/电流，通过 MCU A1X pin 将状态输出至光耦合器，进而改变一次侧的 PWM IC 占空比大小，达到死循环回路控制。 以光耦合器(EL-817C)、PWM IC(UC3844A)位器件为例，在初期设计/调试充电器产品时，建议空载时 V1 电压(如下图所示)可保持约在 4V 左

6、右，确保充电器可正常动作。以下针对电压和电流模式进行说明。 Rectifier/ Filter/ Regulator10ISVsSenseINCurrent mode PWM controllerDAC Isense3V5VPGDA1NA1XOPA0OPA1OVPOCPBAT.5VCP0NVsenseCH1CH0 9R RHVMUXCMP1CMP0V1R1R2C1R3R4电池充电模块电池充电模块 CC/CVCC/CV 架构架构 注：外围反馈零件(R1R3、C1)选择与光耦合器和 PWM IC 有关。 动力电池充电器应用须知动力电池充电器应用须知 AN0441S V1.00 3/ 6 2016-

7、12-09 充电器恒压模式说明 恒压充电代表电池内阻无论如何变化，充电电压皆会稳定，其原理为充电电压(HV)经由电阻分压至MCU Vsense pin， 此信号等同MCU内部VS电压。 此时MCU内部MUX选择至CH0时，VS会经由SenseIN pin至OPA1 负端。通过OPA1 输出A1X把VS和DAC误差放大，经由光耦合器传送到PWM IC。若VS电压低于DAC电压则PWM IC增加PWM占空比，反之则减少PWM占空比。 注：F/W 修改 DAC 数值，输出电压也同时改变。 充电器恒流模式说明 恒流充电代表电池内阻无论如何变化，充电电流皆会稳定，其原理为充电电流经R4 串接电阻产生电压

8、 (RIV=) 输入至MCU Isense pin，此电压视为充电电流，通过内部 10倍放大器(OPA0)，将信号放大 10 倍(10Is)，能降低外部电阻值以降低损耗。此时MUX选择至CH1 时，10Is会经由SenseIN pin至OPA1 负端。通过OPA1 输出A1X把VS和DAC误差放大，经由光耦合器传送到PWM IC。若VS电压低于DAC电压则PWM IC增加PWM占空比，反之则减少PWM占空比。 注：F/W 修改 DAC 数值，输出电流也同时改变。 10 倍放大 OPA0 校准 OPA0 可通过寄存器 A0VOS 校准，将失调电压由15mV 降至4mV，校准方式如下： 1. 设

9、A0FM 为 1：选择 Offset calibration mode，此时 S1 on & S2 off。 2. 设 A0RSP 为 0：选择输入引脚作为参考电压-Isense。 3. 调整 A0OF4A0OF0 由低到高：直到 A0X 状态改变，此值为校正值。 4. 设 A0FM 为 0：恢复正常 OPA 输出模式。 相关寄存器如下说明 DACLDACL 寄存器寄存器 BitBit 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 Name D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W POR 0 0

10、0 0 0 0 0 0 Bit 70 D7D0D7D0：输出句柄 注：写入该寄存器仅写入一个影子缓冲器。写入 DACH 寄存器会将影子缓冲器中的数据复制到 DACL 寄存器。 DACHDACH 寄存器寄存器 BitBit 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 Name D11 D10 D9 D8 R/W R/W R/W R/W R/W POR 1 0 0 0 Bit 74 未定义，读为“0“ Bit 30 D11 D8D11 D8：输出控制数据位，仅用于 12-bit DAC 注：12-bit DAC 数据将首先写入到 DACL，然后写入到 DACH 允许 DAC 正

11、常操作。 12-bit DAC 输出电压 = DDVD 1220:11动力电池充电器应用须知动力电池充电器应用须知 AN0441S V1.00 4/ 6 2016-12-09 DACCDACC 寄存器寄存器 BitBit 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 Name ENDAC R/W R/W POR 1 Bit 7 ENDACENDAC：DAC 和 S0 控制位 0：DAC 禁能 & S0 off 1：DAC 使能 & S0 on Bit 60 未定义，读为“0“ SENSWSENSW 寄存器寄存器 BitBit 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1

12、 1 0 0 Name MUXS5 MUXS4 MUXS3 MUXS2 MUXS1 MUXS0 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W POR 0 1 0 1 0 1 Bit 76 未定义，读为“0“ Bit 50 MUXS5MUXS0MUXS5MUXS0：MUX 信道选择位 010101：CH0 (切换到 Vsense 引脚输入) 101010：CH1 (切换到 OPA0 输入) 其它值：保持电流切换状态不变 A0VOSA0VOS 寄存器寄存器 BitBit 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 Name A0FM A0RSP A0X A0OF4 A

13、0OF3 A0OF2 A0OF1 A0OF0 R/W R/W R/W R R/W R/W R/W R/W R/W POR 0 0 0 0 0 0 0 0 Bit 7 A0FMA0FM：运算放大器模式或偏置校准模式 0：运算放大器模式 (S1 off、S2 on) 1：偏置校准模式 (S1 on、S2 off) Bit 6 A0RSPA0RSP：运算放大器输入电压选择位 0：输入电压来自 Isense 引脚 1：输入电压来自内部 VM 参考电压 Bit 5 A0XA0X：运算放大器输出；正极逻辑。该位只读。 Bit 40 A0OF4A0OF0A0OF4A0OF0：运算放大器偏置校准数据位 MCU

14、MCU 保护机制保护机制 为了避免不可预期情况导致充电器异常或使电池毁损，目前 Holtek 所推出的 HT45F5Q、HT45F5R MCU 均俱备纯硬件及软件双重保护机制。 纯硬件保护机制 提供纯硬件 OVP 及 OCP 功能，通过外部电阻自由设定保护阀值(如下图)，同时确保不受寄存器影响，避免 F/W 不当操作使 OCP、OVP 失效。 当发生 OVP 或 OCP 时，MCU 强制将 A1X pin 拉低，以立即关闭一次侧 PWM IC，避免过电压或过电流造成充电器或电池毁损。 动力电池充电器应用须知动力电池充电器应用须知 AN0441S V1.00 5/ 6 2016-12-09 软件

15、保护机制 软件保护能禁止“电池充电模块“相关寄存器修改，避免 F/W 误动作，当 CHRGEN 寄存器为 10101010 时，才允许修改 DACL、DACH、DACC、SENSE 和 A0VOS 寄存器，隔绝噪声干扰或程序撰写错误造成毁损风险。 CHRGENCHRGEN 寄存器寄存器 BitBit 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 Name CHGEN7 CHGEN6 CHGEN5 CHGEN4 CHGEN3 CHGEN2 CHGEN1 CHGEN0 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W POR 0 0 0 0 0 0 0 0 Bit 70 CHGEN7CHGEN0CHGEN7CHGEN0：MUX、DAC 和 OPA0 相关控制寄存器修改标志位 10101010：相关寄存器可被修改 其它值：忽略寄存器修改 若这些位为除了 10101010 的其它值，寄存器 DACL、DACH、D