胡林權(quán)

（上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海200240）

鋰離子電池憑借其能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、自放電率低、無記憶效應(yīng)以及綠色環(huán)保[1]等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為了便攜式電子產(chǎn)品的首選電池。與此同時(shí)，隨著信息化社會(huì)的不斷發(fā)展，鋰離子電池將會(huì)在通信、汽車電子、儀器儀表、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域得到更深層次的開發(fā)應(yīng)用。針對(duì)目前市場(chǎng)上充電器的充電效率低、充電時(shí)間長(zhǎng)、降低電池壽命等缺陷以及鋰離子電池的充電特性，本文利用LM3S9B92作為主控制器，在鋰離子電池的充電過程中對(duì)其進(jìn)行智能控制，嚴(yán)格控制充電電流和電壓。

圖1為所設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電器框圖，主要包括變壓整流、穩(wěn)壓部分以及電源變換器、LM3S9B92嵌入式微控制器、采樣電路和鋰離子電池。

1 LM3S9B92嵌入式微控制器

采用 Stellaris系列的基于 Cortex-M3內(nèi)核的LM3S9B92作為主芯片。該控制器包含很多個(gè)GPIO口、2個(gè)10 bit的ADC模塊、3個(gè)模擬比較器、8個(gè)可用于運(yùn)動(dòng)和能源領(lǐng)域的PWM輸出、4個(gè)32 bit定時(shí)器以及UART、I2C、SPI、I2S、USB、LCD、以太網(wǎng)接口等各種豐富的外設(shè)功能[2，3]，因此非常適合用作智能型充電器的控制單元。

LM3S9B92的任務(wù)是：(1)實(shí)時(shí)采集電池的充電狀態(tài)，通過計(jì)算決定下一階段的充電電流，并產(chǎn)生合適的PWM信號(hào)來控制充電電流；(2)通過LCD實(shí)時(shí)顯示采樣數(shù)據(jù)，當(dāng)采集的電池參數(shù)不正常時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

2 鋰電池充電器硬件設(shè)計(jì)

2.1 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路

變壓整流和穩(wěn)壓部分電路如圖2所示，市電經(jīng)過變壓器變壓后，通過由4只二極管組成的橋式整流電路或者整流橋堆輸出直流電，再通過電容器濾波后作為集成穩(wěn)壓塊LM338的輸入，調(diào)節(jié)集成穩(wěn)壓塊外接的可調(diào)電阻R2就可以調(diào)節(jié)輸出端電壓。

2.2 鋰電池充電主電路

圖3為鋰電池充電主電路部分，該部分主要包括電源變換電路和采樣電路。

電源變換部分采用容易控制的、效率高的BUCK變換器[4-5]，通過LM3S9B92產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制，通過控制PWM的占空比來控制開關(guān)管Q4的輸出電壓或者電流。BUCK電路開關(guān)管Q4的驅(qū)動(dòng)采用“圖騰柱”電路，“圖騰柱”屬于推挽電路，因此可以主動(dòng)對(duì)開關(guān)管的柵極進(jìn)行放電，這樣一來，柵極泄放電阻R7可以省略，也可以取比較大的數(shù)值，這種驅(qū)動(dòng)相比于其他形式的直接驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)[6]。驅(qū)動(dòng)所需的PWM信號(hào)來源于LM3S9B92，LM3S9B92既可以利用其PWM模塊產(chǎn)生所需的PWM信號(hào)，也可以利用定時(shí)器模塊的16位PWM功能來產(chǎn)生PWM信號(hào)。如果直接利用PWM模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)，在設(shè)定好周期時(shí)，可以適時(shí)改變PWM的匹配值來改變占空比；如果利用定時(shí)器模塊在16位PWM工作模式下產(chǎn)生PWM波，則定時(shí)器配置為16位的遞減計(jì)數(shù)器，通過配置適當(dāng)?shù)难b載值（決定PWM周期）和匹配值 （決定PWM占空比）來自動(dòng)產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，并從相應(yīng)的管腳輸出。

本方法的基本思想是利用LM3S9B92所具有的PWM管腳，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件編程的方法調(diào)整PWM控制寄存器的數(shù)值來調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。在調(diào)整充電電流前，處理器應(yīng)讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實(shí)際讀取的充電電流進(jìn)行比較，若實(shí)際電流偏小，則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比；若實(shí)際電流偏大，則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。

采樣電路是指對(duì)充電電壓和充電電流的采樣，采樣的電壓和電流通過LM3S9B92的一個(gè)集成的10 bit ADC模塊送到LM3S9B92控制芯片中，LM3S9B92對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與保存。ADC模塊支持16個(gè)輸入通道，并含有4個(gè)可編程的序列發(fā)生器，這些序列發(fā)生器無需控制器干預(yù)即可自動(dòng)對(duì)多個(gè)模擬輸入源進(jìn)行采樣。ADC可使用片內(nèi)3 V參考電壓，也可使用片外參考電平。圖3中R8、R9分壓后再經(jīng)過RC低通濾波，最后接到LM3S9B92的ADC引腳作為電池正端電壓采樣，其目的是防止進(jìn)入ADC引腳的電壓太大而損壞芯片，為安全起見，在RC濾波后采取限壓保護(hù)措施，例如采用鉗位保護(hù)二極管等。為了降低成本，設(shè)計(jì)中對(duì)電流的采樣不外加傳感器，而是通過一個(gè)傳感電阻R11將流過電池的電流轉(zhuǎn)換成電壓后，再進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換取樣。流過電池的電流可能會(huì)很大，如果R11取得很大，就會(huì)產(chǎn)生較大的電壓降，根據(jù)功率計(jì)算公式P=I2R可知，若消耗的功率太大會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，為此本設(shè)計(jì)中取R11=0.5 Ω。

ADC轉(zhuǎn)換需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓為參照來完成模擬電壓信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的量化。基準(zhǔn)電壓直接影響電壓和電流的采樣結(jié)果。LM3S9B92內(nèi)部集成了可編程選擇的3 V基準(zhǔn)穩(wěn)壓源，可確?；鶞?zhǔn)電壓的準(zhǔn)確性，不需要采用外部的穩(wěn)壓源，可以節(jié)省設(shè)計(jì)成本。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

鑒于電壓和電流的響應(yīng)很快，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，控制算法就簡(jiǎn)單很多，即使不使用傳統(tǒng)的PID控制算法也能取得良好的控制效果。鋰離子電池采用三階段充電方式，即小電流充電、恒流充電和恒壓充電三個(gè)階段，其充電主控制程序流程圖如圖4所示。

本設(shè)計(jì)是針對(duì)12 V、5 000 mAh的鋰電池而言的，對(duì)于容量不同的鋰電池只要根據(jù)需要改變硬件電路參數(shù)即可，同時(shí)采用功能強(qiáng)大的LM3S9B92微控制器，使得充電電流和電壓能夠得到嚴(yán)格控制，具有數(shù)字化和智能化的特點(diǎn)，因此具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

[1]王海明，鄭繩楦，劉興順.鋰離子電池的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].電氣時(shí)代，2004（3）：132-134.

[2]TI.Stellaris?LM3S9B92 microcontroller data sheet[A].2011.

[3]馬忠梅，李奇，徐琰，等.ARM Cortex核 TI微控制器原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4]Off-line Li-Ion battery charger with P89LPC916[A].2004.

[5]尚繼良，王光光.基于EasyARM1138的電能收集充電器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（7）：40-42.

[6]吳紅奎.場(chǎng)效應(yīng)管基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)務(wù)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.