什么是搭载MCU的电池充电器/充电器？实现小型化、高效率、长寿命的下一代充电技术

MCU搭载电池充电器，充电器能够通过单芯片高精度控制充电曲线及OVP、OCP等保护功能。通过固件更新轻松更改规格，UNIFIVE可根据用途提供定制化支持。

搭载MCU的电池充电器/充电设备是通过微控制器(MCU)对充电曲线(方式)以及OVP、OCP等各类保护功能进行单芯片控制的先进充电技术。

与传统的模拟控制式充电器相比, 通过MCU实现的高度数字化控制可实现高精度充电与高安全性, 并且支持通过固件更新灵活变更规格。

UNIFIVE的MCU充电解决方案可根据客户用途进行定制, 有助于实现小型化、高效率化及延长电池寿命。

什么是MCU? 微控制器基础知识

MCU(Microcontroller Unit)是将CPU、存储器、I/O等集成于单芯片的超小型计算机。广泛应用于家电产品及工业设备中, 近年来也被内置于电池充电器/充电设备中, 用于实现高级数字控制。

以往通过模拟IC或硬件电路实现的控制, 通过软件实现后, 可实现功能整合与灵活控制。

在内置MCU的充电器中, MCU可实时读取电池电压、电流及温度信息, 并通过软件算法调节至最佳充电电流与电压。因此能够精确跟踪锂离子电池等复杂的充电曲线, 并可自由设置各类阈值, 针对不同电池进行优化。

搭载MCU的电池充电器被选择的三大理由

1. 多功能化与系统整合

可将电池状态诊断(电压、温度监控)、充电控制、与外部设备通信, 以及过压保护(OVP)、过流保护(OCP)等保护控制集成于单芯片中。

因此, 以往需要多个独立IC或电路才能实现的功能, 现在通过一个MCU即可完成, 从而实现减少元器件数量并提升电路设计自由度。可将整个系统简化整合, 并进一步提升可靠性。

2. 通过软件灵活变更规格

采用MCU的最大优势之一是可灵活调整充电规格。通过软件重写即可实现充电算法或曲线的调整, 因此即使在后期也能轻松适配新的电池化学体系或优化控制参数。

例如, 可从标准CC-CV充电方式切换为脉冲充电方式, 或将充电电压、电流阈值调整为电池制造商推荐值等, 这些定制均可通过固件更新实现。

无需更改硬件即可新增或改进功能, 有助于缩短开发周期, 同时具备良好的后续升级能力。

3. 多重保护与实时监控

由于MCU能够高速处理传感器信息,过电压保护(OVP)・过电流保护(OCP)・过温度保护(OTP)等多种保护功能都可以高精度执行。

在检测到异常时,可立即停止充电或执行安全关断等实时保护。此外,由于可以将充电过程中的电压・电流值及温度作为持续监控日志进行记录与通信,因此能够高精度地进行电池状态掌握与老化预测。

搭载MCU的电池充电器特点

保护功能的自定义设置

OVP(过电压保护)・OCP(过电流保护)・OTP(过热保护)等各类保护的阈值及动作延迟时间,可根据应用需求任意设置。

通过MCU控制,例如"在多少伏检测为过电压""从异常检测到多少毫秒后切断"等细节都可精细调整。由此可实现符合用途的最佳保护动作,在避免不必要关断的同时,切实保护电池与设备。

长时间峰值电流的自动控制

即使在负载暂时需要大电流时,MCU也可通过程序控制峰值电流的持续时间。当峰值电流持续超过设定秒数时,会自动将电流限制回额定值,抑制过热和元件老化。

例如"允许最大输出电流的150%持续5秒,之后恢复至正常电流"等灵活的电流曲线都可实现。由此兼顾启动时的浪涌电流供应与长寿命及安全性。

多路输出的集中监控

通过一个MCU即可对多通道输出电压・电流进行统一监控与控制。传统方式需要为每个输出系统配置独立的控制电路和反馈,而MCU可通过软件同时管理多个通道,从而实现布线与控制系统的简化。

还可从整体角度统筹所有输出,按需进行功率分配与平衡控制,有助于实现系统整体效率优化。

风扇ON/OFF的温度联动控制

在配备冷却风扇的充电器中,MCU可根据温度传感器的数值自动控制风扇转动。例如当内部温度超过某一阈值时开启风扇,在充分冷却后关闭,实现精细控制,避免长时间持续运转。

由此仅在需要时启动风扇,实现降低噪音・节能,同时也可减少灰尘吸入。

报警信号对外发送

当检测到电源异常或电池异常时,MCU可立即向外部设备或系统输出报警信号。例如在充电器内部检测到异常高温时,MCU可将信息通知至设备监控系统或上位微控制器,以便迅速采取对策(如切断负载或通知用户等)。

还可根据异常内容通过通信协议发送详细信息,支持IoT时代的智能监控。

AC适配器内部的哪个位置集成MCU电路?

在搭载MCU的充电器中, MCU电路通常集成在AC适配器内部的低压侧(二次侧电路)。

AC适配器首先通过将市电AC整流、降压来获得所需的DC输出电路(一次侧), 以及以适合电池的电压和电流进行充电的控制电路(二次侧)构成。MCU主要配置在后者的控制电路部分, 在监测电池电压和电流的同时, 驱动用于充电的DC-DC转换器和开关器件。

具体而言, 在隔离型AC适配器中, MCU放置在通过变压器隔离的二次侧, 并通过光耦等器件控制一次侧的开关IC, 或直接控制二次侧的同步整流与DC输出级。由此实现跨越一次侧与二次侧的数字反馈控制, 使MCU能够按预期精确调节输出电压和电流。

UNIFIVE所推荐的数字控制方式, 也是在适配器电路板的适当位置安装MCU, 并连接必要的检测电路(电压、电流传感器)和栅极驱动电路。这样在不大幅改变传统电路结构的前提下即可增加数字控制优势, 实现高精度控制和充电曲线的定制化。

MCU软件可调的主要参数

在搭载MCU的电池充电器中, 可以通过软件对以下充电控制参数进行精细设定与调整。各项参数可根据电池类型和用途定制为最佳值, 从而提升充电的安全性与效率。

预充电切换电压

这是从预充电切换到正式充电的电压阈值。对于严重放电、电压较低的电池, 需要先以小电流缓慢充电以激活电芯。

在MCU控制下, 可以通过程序设定“当电池电压超过○○V(例如锂离子电池约3.0V)时结束预充电并转入快速充电”等阈值。

预充电电流

这是在初始阶段对深度放电电池施加的预充电电流值。通常以满充电电流的约10%(约0.1C)的小电流开始充电。例如容量为2000mAh的电池, 可按0.1C即200mA进行预充电。

后充电开始电压/后充电电流

当主充电接近完成时, 为了尽可能提升容量或平衡电芯, 有时会进行极低电流的补充充电(涓流充电)。MCU可以定义开始该阶段的电压点及电流值。

充电完成电压

这是判定电池已满充的目标电压(浮充电压)设置。对于锂离子电池, 通常设定为每节约4.2V作为充电完成电压, 但在MCU中可自由调整该终止电压。

例如, 可以为了安全性将电压设定得稍低以延长寿命, 或为快速充电将其设定得略高等进行调整。

再充电电压

这是开始自动再充电的电压阈值。电池在达到满充并结束充电后, 会因时间推移或设备待机消耗电流而逐渐降低电压。当电池电压下降至该再充电阈值时, 系统会自动重新开始充电。

电池检测时间

用于检测电池是否存在及其状态的时间参数。当电池连接到充电器时, MCU会先测量电池端电压或施加微小的测试电流, 以判断电池是否正确连接。

输出过压保护(OVP)/输出过流保护(OCP)

这是针对充电器输出侧电压和电流的保护阈值。当电池充电过程中因异常导致超过设定值时, MCU会立即限制或切断输出, 以防止电池过压(过充)或电路损坏。

安全计时器时间/预充计时器

包括整个充电过程的超时时间(安全计时器)以及预充阶段专用的超时时间。如果在规定时间内未完成充电, 或电池电压未恢复至阈值, 系统将判定为异常并停止充电, 作为安全措施发挥作用。

如上所述, 在搭载MCU的电池充电器中, 与充电相关的各种参数都可以通过软件进行全面控制。通过优化各类阈值、计时器以及电流电压参数, 可实现根据电池类型和状态定制的充电曲线, 兼顾快速充电、安全保障以及延长电池寿命。

典型充电控制方式

搭载MCU的充电器可通过软件实现多种充电方式, 因此能够根据用途采用最合适的控制算法。

恒流-恒压控制(CC-CV方式)

这是锂离子电池中广泛采用的标准方式。首先通过CC(恒流)充电使电池电压逐渐上升, 当达到规定的最大电压(充满电压)后, 切换为CV(恒压)充电, 在电流逐渐衰减的同时继续充电。当CV阶段电流降至足够小的值时, 即判定充电完成。

该方法具有安全且可在较短时间内完成满充的优点。在MCU控制下, 可灵活设置CC电流值、CV电压值以及终止电流等参数。

脉冲充电 & 修复充电

脉冲充电是指以间歇电流脉冲方式进行充电, 对铅酸电池等尤为有效。通过施加高电压脉冲, 可去除蓄电池内部积累的硫酸铅结晶(硫化现象), 有助于恢复容量并降低内阻。

另一方面, 对于镍氢电池(Ni-MH)和镍镉电池, 为缓解记忆效应导致的容量下降, 常采用先放电再重新充电的修复充电方式。在MCU控制下, 这些复杂的充电模式同样可以通过软件实现。

总结: 采用MCU的充电器实现的新一代充电解决方案, 请交给经验丰富的UNIFIVE

搭载MCU的电池充电器/充电设备, 是显著提升充电精度提升、安全性提高、运行灵活性的关键技术。

UNIFIVE基于丰富的实绩, 通过多重保护设计及固件定制化支持, 为您提供针对客户需求优化的充电解决方案。从小型高性能AC适配器的开发到特殊充电曲线的实现, 欢迎随时咨询。