電池芯容量的多種化學類型電池充電時，在不同的充電階段上，電池電壓可能會高于或低于電源電壓。因此，需要對電源電壓做升壓或降壓，以配合電池的電壓。例如，當為一個典型電壓為1.25V的單芯NiMH（鎳金屬）電池充電時，必須對3.3V的電源做衰減或降壓。當要為一個單芯4.1V鋰離子電池充電時，輸入電壓需要做升壓。為解決這些問題，應用一種SEPIC（單端初級電感轉換器）作為主充電路徑。這種開關模式的DC/DC轉換結構可以同時在某個電壓區間內完成升降壓工作，從而提供了電源電壓的靈活性。

　　鋰離子與NiMH化學類型需要不同的充電曲線，但一個靈活的充電架構可以方便地用于兩種情況。較為靈活與簡便的實現方式是，用微控制器上的固件，從一種化學類型切換到另一種類型。如果設計一種模塊化的充電子系統，并將各種功能封裝到各個模塊中，就可以根據系統需求，使用某個系列中的不同微控制器，實現相同的應用。模塊化的使用簡化了設計，開發人員就能夠為其它主要應用增加電池充電功能，如電機控制與醫療測量等。

　　在控制充電電流時，電池充電器必須要確定出電池的電壓、電流與溫度。確定電池狀態的硬件對所有電池類型都是共同的，電池電壓可以高于或低于微控制器的輸入范圍。因此，工程師們一般都會用一個電阻分壓電路測量電壓，做電壓衰減。他們可以測量高側的電流，即進入電池的電流；也可以測量低側的電流，即離開電池的電流；或者，在SEPIC情況下，可以在電感的次級端使用一只電阻。電池通常都內嵌有熱敏電阻，可以用于監控和確保電池溫度的精度。有些商用電池制造商為降低成本而省略了這些熱敏電阻。這種情況下，用戶可以外接一只熱敏電阻，并使之與電池接觸。

　　采用這些測量參數，微控制器就能確定并控制進入電池的充電電流。從電池充電器的角度來說，不同化學類型之間的主要區別就是充電曲線（圖1）。鋰離子電池采用的是恒流恒壓的充電曲線。如果電池電壓在啟動時低于恒流閾值，則電池充電器會以少量電流供電，大約為電池容量的10%。在這個預處理階段，電池電壓會隨著充電電流而逐步增加。當電壓達到快充閾值時，微控制器將充電電流增加到約為100%容量。這個恒流階段一直保持下去，直到電池電壓達到規定的電壓值。然后，電池充電器進入恒壓階段，在此期間，充電電流減小，同時電池電壓保持在規定的電壓值。當電流降低到終止電流時，電池電壓保持不變，而電池充電過程終止。

                                          圖1，從電池充電器的角度，鋰離子電池化學類型(a)與NiMH電池化學類型(b) 之間的主要差異是充電曲線。

　　在充電期間，電池中的電流隨溫度的變化而變化。如果有任何電池狀態參數（電壓、電流或溫度）超出了相應電池充電階段所規定的范圍，則電池充電器會停止充電做保護。

　　NiMH電池的前兩個充電階段與鋰離子電池類似，即：20%容量的激活段，以及100%容量的恒流段。電壓下跌與溫度下跌表明了NiMH電池的恒流段結束，而電流保持恒定。在這次電壓下跌后，NiMH充電器的充電曲線進入了充電完成階段，在此期間，電流降低到約5%容量的涓流水平。這一階段提供一個恒定時間的小充電電流，直到充電終止。

　使用這些充電需求，就可以將電池充電過程簡化為不同的水平，方法是用一個預先定義了電壓、電流、溫度和超時等數值的狀態機。微控制器的狀態機控制著電池的狀態，以及充電所需要的電流量。圖2是一個可為這兩種電池充電的簡化的狀態機。

                                                圖2，一個預先確定了電壓、電流、溫度和超時數值的狀態機，可以簡化鋰離子電池和NiMH電池的充電曲線。

　　根據所選擇的電池化學類型，微控制器會檢查電池的狀態機，控制充電電流。電池充電的曲線可以有預編程、啟動前或自動決定三種形式。對于前兩種方式，微控制器會從用戶的輸入獲得電池類型。對預編程情況，模塊軟件會選擇充電電池的類型，用所需曲線為微控制器編程。這種決策方式適用于那些充電是附加功能的應用。在這些應用中，電池類型是已知的。

　　在啟動前方式中，微控制器會做一個附加檢查，這種檢查可以簡單到在啟動時由微控制器檢查開關的位置，從而確定電池的充電曲線與選擇。對于自動檢查方式，微控制器會在啟動后自動地做出決策，通過檢測電池的類型而選擇電池充電曲線。例如，一只單芯NiMH電池的典型電壓范圍為0.9V~1.25V，而一個鋰離子電池芯的電壓范圍為2.7V~4.2V。同樣，不同電池的溫度范圍也有差異，微控制器可以在啟動時保存和比較這些數值。自動檢查方案只能用于某些情況。一般來說，預編程與啟動前方法可用于大多數應用。本文主要討論預編程決策，面向那些電池充電是附加功能的應用。

　　兩種化學類型都使用了相同的硬件，用于電池充電器的檢測與控制（圖3）。要確定電池的狀態，就要將電壓、電流和溫度以多工方式輸入到微控制器中的一只ADC，完成測量。固件使用這些數值確定出狀態，通過改變PWM（脈沖寬度調制器）的占空比而控制充電電流。PWM的輸出連接到SEPIC中MOSFET的柵極上，控制流經電池的電流。這些步驟都與CPU有關，因此會有一些延遲。有些電池（包括鋰離子電池芯）對過充很敏感，在較高電壓下會變得不穩定。比較器增加了防止過壓和過流狀況的硬件保護電路。這些比較器會在必要時中止充電，直到用戶將其復位，或電池回到安全的狀況下。

                                                             圖3，微控制器根據所選擇電池的化學類型，用電池的狀態機控制充電電流。

　　兩種化學類型下，用于檢測和控制電池充電的外部硬件是相同的。

根據測得的參數值以及電池的化學類型，CPU確定出電池的狀態，并相應地改變PWM占空比。按傳統方法，CPU用于確定充電曲線的條件都是代碼中的常數，程序員要手工修改它們（代碼清單1）。

 　　當需要修改充電曲線時，將電池充電曲線設為0或1，可在兩個充電曲線之間做切換。程序將針對所有狀態的電壓、電流和溫度極限保存為常數，并做相應的修改。如果某種電池類型需要不同的電壓水平，則必須修改代碼，輸入新的參數，這意味著應用的用戶必須了解修改充電曲線的代碼，以及電池充電的限制條件。而采用模塊化方案后，當選擇了相應的IP（智能產權）塊時，就可以輸入用于修改電池充電器曲線的參數。圖4給出了鋰離子電池與NiMH電池的模塊參數。

                                                           圖4，通過圖形用戶界面，輸入電池化學類型的參數極限值。

使用這些模塊后，應用的設計者就可以為應用增加充電器模塊，建立相應的充電曲線。模塊還生成了所有其它的硬件塊，包括比較器與PWM，以及軟件狀態機。采用可重新編程的架構時，如Cypress半導體公司的PSoC（可編程系統單芯片），就可以用軟件應用，對硬件模塊做編程和實現。采用這種方式，開發人員可用NiMH電池的充電曲線為圖3中的硬件編程。為產品增加一個USB（通用串行總線）模塊，開發人員就可以將電池參數發送給計算機。用C#語言的一個軟件工具就可以繪出這些數據，當然也可以采用其它類型的通信方式和相近的工具。電池仿真器用于模仿鋰離電池和NiMH電池，獲得實時的圖像（圖5）。

                                                            圖5，電池仿真器模擬鋰離子電池(a)和NiMH電池(b)，獲得實時的圖形。

　　由于使用了電池仿真器，電壓的變化便產生了電流的開關噪聲。因為使用電池仿真器的電壓變化較快，PWM輸出對一個電壓變化的響應與安定時間可看作開關噪聲。一塊電池中的電壓變化是漸進的，因此開關噪聲在一塊實際電池中并不明顯。

　　通過對SoC（系統單芯片）固件的簡單修改，就可以用相同硬件，開發出用于多種化學類型電池的充電器。將充電曲線模塊做到元件中，便于主應用附加電池充電的功能。