談發(fā)明
(江蘇理工學院電氣信息工程學院,江蘇 常州 213001)
近年來,數(shù)碼產(chǎn)品的使用越來越廣泛,鑒于產(chǎn)品的靈活性和方便性需求,便將鋰電池作為主要的能量來源[1]。鋰電池對充電器的要求比較苛刻。普通的鋰電池充電器可能會對鋰電池造成過充或欠充,影響鋰電池的使用壽命,而且充電速度較慢,效率不是很高[2]。
本文設計的智能鋰電池充電器,分階段以恒流或恒壓的充電方式對鋰電池充電,具有過流、過壓保護功能,克服了普通鋰電池充電器的過充或欠充、充電速度慢的問題。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示,系統(tǒng)由主回路、反饋回路、保護電路、人機交互等部分組成[3]。主回路中包括AC/DC轉換電路部分,BUCK DC/DC降壓電路部分。AC/DC轉換電路包括隔離變壓器降壓、整流橋路整流及濾波。反饋回路則包括電路鋰電池電壓電流采樣部分、小信號放大部分、A/D轉換部分、控制電壓輸出部分。保護電路包括電壓電流檢測及保護等電路。人機交互則包含鍵盤、顯示控制部分。
設計采用KA7500B控制BUCK DC/DC降壓變換,具有在不同充電階段對鋰電池的恒流或恒壓充電功能,具體設計如圖2所示。由于KA7500B的兩路反饋是在KA7500B內(nèi)部是相“與”后再進行控制的,充電器接上鋰電池后,當STC12C5A60S2檢測到鋰電池電壓小于3V時,此時,在KA7500B內(nèi)部只有電流反饋控制輸出脈寬,對鋰電池用恒定100mA電流涓流充電;當STC12C5A60S2檢測到鋰電池電壓大于3V且小于4.2V時,用恒1 000mA電流充電。隨著鋰電池電壓的升高,當STC12C5A60S2檢測到鋰電池電壓等于4.2V時,此時,在KA7500B內(nèi)部只有電壓反饋控制輸出脈寬,以恒壓4.2V對鋰電池充電。當STC12C5A60S2檢測到充電電流減小到小于10mA時,充電器停止工作,充電工作完成。這樣,電路就在不同充電階段實現(xiàn)了對鋰電池的恒流或恒壓充電功能。
恒流過程是鋰電池充電電流流經(jīng)取樣電阻R9后,經(jīng)過分壓電阻R10和R25加到KA7500B的1腳的反饋電壓和2腳設定的基準電壓比較,控制KA7500B的11腳PWM脈寬。
當檢測到電池電壓小于3V時,以I=100mA方式涓流充電,根據(jù)圖2器件參數(shù)由式1計算可知,KA7500B的2腳的基準電壓應設為0.18V;當檢測到電壓介于3V至4.2V時,以恒流I=1 000mA方式充電,v2應設為1.8V。v2由STC12C5A60S2的P1.4口產(chǎn)生PWM 信號經(jīng)過R34,C12及R33,C11構成的D/A轉換電路產(chǎn)生。
恒壓過程是鋰電池的實時電壓經(jīng)分壓電阻R2和R4采樣后加到KA7500B的16腳和15腳設定的基準電壓比較,控制KA7500B的11腳輸出PWM脈寬。
當檢測鋰電池電壓達到4.2V時,以恒壓4.2V對鋰電池充電,根據(jù)圖2器件參數(shù)由式(2)計算可知,KA7500B的15腳的基準電壓應設為2.6V。v2由STC12C5A60S2的P1.3口產(chǎn)生PWM 信號經(jīng)過R31,C9及R32,C10構成的D/A轉換電路產(chǎn)生。
鋰電池兩端的實時電壓由圖2中的AD1端口連接至STC12C5A60S2的P1.7口,經(jīng)內(nèi)部A/D轉換后,STC12C5A60S2采集到鋰電池實時電壓值。在系統(tǒng)測試過程中發(fā)現(xiàn),鋰電池取下后,STC12C5A60S2仍能檢測到AD1端有大于0.2V殘留電壓,會造成誤判,所以,利用1MΩ的電阻R28放電,可以縮短時間差。電阻R1及電容C4起濾波的作用,防止采樣點電壓的波動。
鋰電池充電電流采樣是采樣小阻值電阻R9上的電壓降VR9。充電過程中,由于壓降VR9很小,設計LM358構成的差分放大電路對VR9放大,設放大后的電壓為VI,VI和VR9滿足式(3)。
根據(jù)圖2器件參數(shù)由式(3)計算可知,VI將VR9放大了100倍,VI通過AD0經(jīng)過由R20和C5組成的RC濾波電路送給STC12C5A60S2的P1.6口,經(jīng)內(nèi)部A/D轉換后。STC12C5A60S2采集到鋰電池的實時充電電流值。
為了防止系統(tǒng)對鋰電池過充,設計繼電器開關電路。圖2中,STC12C5A60S2的P2.2口控制三極管Q2飽和導通和截止,可以實現(xiàn)充電開啟和斷開的功能,Q2帶載功率有限,需配置繼電器SPDT擴流,還可以擴充觸點的數(shù)量。二極管D7反向接在繼電器的線圈兩端,是保護繼電器不受反峰電壓的沖擊,對繼電器起到保護作用。
為了提高編程效率及增強程序可讀性,軟件部分利用C語言編寫,采用模塊化設計,主要包括STC12C5A60S2單片機時鐘,ADC設置,定時器產(chǎn)生PWM波模塊,電池電流、電壓檢測模塊[4]。具體流程圖如圖3所示。
圖3 主程序流程圖
普通手機鋰電池標稱額定電壓3.7V是平均值,實際上鋰電池滿電電壓為4.2V,當使用到3.4V以下后,手機出于保護功能自動關機,所以,鋰電池最低電壓一般不會低于3.4V。設計作品利用UTime G7智能手機的鋰電池檢測其性能,該鋰電池標稱容量1 400MA,額定電壓3.7V,限制電壓4.2V。在不同時間點記錄實時電壓、充電電流。驗證該設計在3.4V至4.2V階段精度,檢測充電過程是否符合標準[4],測試結果見表1。
表1 手機鋰電池充電測試結果
采用STC12C5A60S2單片機結合KA7500B芯片設計構成的BUCK型智能鋰電池充電器,在3.7V至4.2V區(qū)間內(nèi)對手機鋰電池進行1 000mA充電測試,實測充電電流精度離預設1 000mA約有0.5%的誤差。產(chǎn)生的原因主要是由于模擬器件R34,C12及R33,C11構成的D/A轉換電路精度不易控制,此外,充電過程還受到溫度環(huán)境影響,但由表1可以看出充電速度比普通手機充電器快1h左右。
[1]馬愛華,張曉冬,張偉.基于AVR的鋰電池智能充電器的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2009,25(5):72-73.
[2]應建華,陳建興,唐仙,等.鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設計[J].微電子學,2008,38(3):445-448.
[3]江超,聞長遠,王雨曦.一種基于 TL494 BOOST型DC-DC電源設計[J].通信電源技術,2009,26(4):39-41.
[4]李冶,陳赫,汪東洋,等.智能鋰電池充電器設計[J].吉林大學學報,2012,30(3):256 -259.