談發(fā)明

(江蘇理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

0 引言

近年來(lái)，數(shù)碼產(chǎn)品的使用越來(lái)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(lái)源[1]。鋰電池對(duì)充電器的要求比較苛刻。普通的鋰電池充電器可能會(huì)對(duì)鋰電池造成過(guò)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(shè)計(jì)的智能鋰電池充電器，分階段以恒流或恒壓的充電方式對(duì)鋰電池充電，具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，克服了普通鋰電池充電器的過(guò)充或欠充、充電速度慢的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)整體方案

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(hù)電路、人機(jī)交互等部分組成[3]。主回路中包括AC/DC轉(zhuǎn)換電路部分，BUCK DC/DC降壓電路部分。AC/DC轉(zhuǎn)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(hào)放大部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、控制電壓輸出部分。保護(hù)電路包括電壓電流檢測(cè)及保護(hù)等電路。人機(jī)交互則包含鍵盤、顯示控制部分。

2 主體電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用KA7500B控制BUCK DC/DC降壓變換，具有在不同充電階段對(duì)鋰電池的恒流或恒壓充電功能，具體設(shè)計(jì)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(jìn)行控制的，充電器接上鋰電池后，當(dāng)STC12C5A60S2檢測(cè)到鋰電池電壓小于3V時(shí)，此時(shí)，在KA7500B內(nèi)部只有電流反饋控制輸出脈寬，對(duì)鋰電池用恒定100mA電流涓流充電;當(dāng)STC12C5A60S2檢測(cè)到鋰電池電壓大于3V且小于4.2V時(shí)，用恒1 000mA電流充電。隨著鋰電池電壓的升高，當(dāng)STC12C5A60S2檢測(cè)到鋰電池電壓等于4.2V時(shí)，此時(shí)，在KA7500B內(nèi)部只有電壓反饋控制輸出脈寬，以恒壓4.2V對(duì)鋰電池充電。當(dāng)STC12C5A60S2檢測(cè)到充電電流減小到小于10mA時(shí)，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(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池的恒流或恒壓充電功能。

2.1 恒流充電設(shè)計(jì)

恒流過(guò)程是鋰電池充電電流流經(jīng)取樣電阻R9后，經(jīng)過(guò)分壓電阻R10和R25加到KA7500B的1腳的反饋電壓和2腳設(shè)定的基準(zhǔn)電壓比較，控制KA7500B的11腳PWM脈寬。

當(dāng)檢測(cè)到電池電壓小于3V時(shí)，以I=100mA方式涓流充電，根據(jù)圖2器件參數(shù)由式1計(jì)算可知，KA7500B的2腳的基準(zhǔn)電壓應(yīng)設(shè)為0.18V;當(dāng)檢測(cè)到電壓介于3V至4.2V時(shí)，以恒流I=1 000mA方式充電，v2應(yīng)設(shè)為1.8V。v2由STC12C5A60S2的P1.4口產(chǎn)生PWM 信號(hào)經(jīng)過(guò)R34，C12及R33，C11構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生。

2.2 恒壓充電設(shè)計(jì)

恒壓過(guò)程是鋰電池的實(shí)時(shí)電壓經(jīng)分壓電阻R2和R4采樣后加到KA7500B的16腳和15腳設(shè)定的基準(zhǔn)電壓比較，控制KA7500B的11腳輸出PWM脈寬。

當(dāng)檢測(cè)鋰電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，以恒壓4.2V對(duì)鋰電池充電，根據(jù)圖2器件參數(shù)由式(2)計(jì)算可知，KA7500B的15腳的基準(zhǔn)電壓應(yīng)設(shè)為2.6V。v2由STC12C5A60S2的P1.3口產(chǎn)生PWM 信號(hào)經(jīng)過(guò)R31，C9及R32，C10構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生。

2.3 電壓、電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

鋰電池兩端的實(shí)時(shí)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(zhuǎn)換后，STC12C5A60S2采集到鋰電池實(shí)時(shí)電壓值。在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鋰電池取下后，STC12C5A60S2仍能檢測(cè)到AD1端有大于0.2V殘留電壓，會(huì)造成誤判，所以，利用1MΩ的電阻R28放電，可以縮短時(shí)間差。電阻R1及電容C4起濾波的作用，防止采樣點(diǎn)電壓的波動(dòng)。

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(guò)程中，由于壓降VR9很小，設(shè)計(jì)LM358構(gòu)成的差分放大電路對(duì)VR9放大，設(shè)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(jì)算可知，VI將VR9放大了100倍，VI通過(guò)AD0經(jīng)過(guò)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(zhuǎn)換后。STC12C5A60S2采集到鋰電池的實(shí)時(shí)充電電流值。

2.4 電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為了防止系統(tǒng)對(duì)鋰電池過(guò)充，設(shè)計(jì)繼電器開(kāi)關(guān)電路。圖2中，STC12C5A60S2的P2.2口控制三極管Q2飽和導(dǎo)通和截止，可以實(shí)現(xiàn)充電開(kāi)啟和斷開(kāi)的功能，Q2帶載功率有限，需配置繼電器SPDT擴(kuò)流，還可以擴(kuò)充觸點(diǎn)的數(shù)量。二極管D7反向接在繼電器的線圈兩端，是保護(hù)繼電器不受反峰電壓的沖擊，對(duì)繼電器起到保護(hù)作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了提高編程效率及增強(qiáng)程序可讀性，軟件部分利用C語(yǔ)言編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括STC12C5A60S2單片機(jī)時(shí)鐘，ADC設(shè)置，定時(shí)器產(chǎn)生PWM波模塊，電池電流、電壓檢測(cè)模塊[4]。具體流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

普通手機(jī)鋰電池標(biāo)稱額定電壓3.7V是平均值，實(shí)際上鋰電池滿電電壓為4.2V，當(dāng)使用到3.4V以下后，手機(jī)出于保護(hù)功能自動(dòng)關(guān)機(jī)，所以，鋰電池最低電壓一般不會(huì)低于3.4V。設(shè)計(jì)作品利用UTime G7智能手機(jī)的鋰電池檢測(cè)其性能，該鋰電池標(biāo)稱容量1 400MA，額定電壓3.7V，限制電壓4.2V。在不同時(shí)間點(diǎn)記錄實(shí)時(shí)電壓、充電電流。驗(yàn)證該設(shè)計(jì)在3.4V至4.2V階段精度，檢測(cè)充電過(guò)程是否符合標(biāo)準(zhǔn)[4]，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 手機(jī)鋰電池充電測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

采用STC12C5A60S2單片機(jī)結(jié)合KA7500B芯片設(shè)計(jì)構(gòu)成的BUCK型智能鋰電池充電器，在3.7V至4.2V區(qū)間內(nèi)對(duì)手機(jī)鋰電池進(jìn)行1 000mA充電測(cè)試，實(shí)測(cè)充電電流精度離預(yù)設(shè)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(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換電路精度不易控制，此外，充電過(guò)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(jī)充電器快1h左右。

[1]馬愛(ài)華，張曉冬，張偉.基于AVR的鋰電池智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(5):72－73.

[2]應(yīng)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(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2008，38(3):445－448.

[3]江超，聞長(zhǎng)遠(yuǎn)，王雨曦.一種基于 TL494 BOOST型DC－DC電源設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2009，26(4):39－41.

[4]李冶，陳赫，汪東洋，等.智能鋰電池充電器設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，30(3):256 －259.