陳恩達，葛智鋒，程龍易，李嘉午，李翠梅

（江西科技師范大學，江西南昌，330038）

多數電器長時間在一起運行時，使用劣質充電器就會增加電路短路，造成爆炸起火的風險。并且，充電器與手機長時間接入電網不僅會造成電力的浪費，而且會加速手機電池與充電器電路的老化，造成意外觸電甚至爆炸起火等事故。本研究就是設計制作一款充電器，它跟普通的充電器不同，通過單片機的控制，該充電器能在安全電壓的范圍內實現可控的特性[1]。具體表現為可實現涓流充電、恒流充電、恒壓充電以及自動跟蹤最大功率等功能，大大提高了充電器的安全性和充電效率。

1 系統設計思路

使用STM32單片機作為充電器的核心控制器，對快充電路的充電進程進行監(jiān)控控制，并能夠將實時的充電電壓數據、電流數據呈現在顯示屏上，通過可視化的設計，讓使用者能清晰地看到充電的過程，然后可以通過按鍵對恒流充電、恒壓充電以及自動跟蹤最大功率功能進行選擇，能讓充電器始終處于最高效的工作狀態(tài)。當充到手機電池最大承受的電壓時，會自動轉為涓流充電，此時，充電器手機電池電壓不再升高，手機電池上的功率幾乎為0，從而可以很好地保護手機電池，手機電池不僅不易老化，還能避免發(fā)生手機電池爆炸等事故，非常節(jié)能安全。

2 系統硬件設計

在本系統中，硬件電路的設計是以單片機為核心，由DC-DC電壓變換器部分、電流采集部分、恒流控制器、恒壓控制器四個部分組成。利用STM32單片機A/D 轉換和D/A 轉換功能對充電電壓電流進行監(jiān)控調節(jié)，并利用按鍵對充電功能進行選擇。

2.1 處理芯片

本系統所用的STM32系列單片機[2]，由意法半導體公司專門設計的使用ARM Cortex-MX內核的32bit系列的單片機。STM32單片機具有多個獨立ADC，每個ADC提供最多16個外部通道，ADC的模式非常多，功能非常強大，能夠精準監(jiān)控電路情況；STM32單片機內部集成的液晶控制器，以及自帶多種多樣的通信接口，如8080/SPI/I2C等接口，能夠更好地驅動OLED顯示屏等外設，讓充電器的顯示和控制更加多樣化。在本設計中選擇使用STM32系列單片機中的高性能產品STM32F407VET6作為系統的主控芯片。F4系列的STM32單片機，擁有更高的主頻，更大的閃存容量，更多的定時器，支持更多的中斷與外設，可以幫助本設計實現更多更復雜的操作。

2.2 電路設計

在本設計中，需要對手機電池進行穩(wěn)定快速安全的充電[3]，并實現超級手機充電器有特色的最大功率追蹤充電，設計了能夠與單片機有機結合起來的硬件電路，主要由充電電路DC-DC電壓變換器部分、電流采集部分、恒流控制器和恒壓控制器四個部分組成，如圖1所示。

圖1 DC-DC變換電路

圖2 電流采集電路

DC-DC變換器是將輸入電壓轉變?yōu)轭~定電壓再輸出的電壓轉換器，將家用220V的高壓交流電壓轉化成手機電池可以接受的安全的低壓直流電，DC-DC電源模塊運用廣泛，是充電器的重要組成部分。

電流采集電路是以電流采集器INA282為中心進行功能設計的，通過電流采集電路能準確地得到當前電路的實時充電電流。INA282芯片是具有較高精度的輸出電流并連接控制電路，它檢測電流方式是從OUT端流出的電流經過電阻會產生一個差分電壓，INA282會把這個差分電壓放大50倍輸出，STM32單片機通過采集這個電壓可以計算得到電流的值，也可以通過運放控制電流。INA282可以在+2.7V～+18V電壓下運行，較低供電電壓便于與STM32單片機進行驅動和讀取。INA282能在-40℃～+125℃的額定溫度下運行并采用小外形尺寸集成電路(SOIC)-8封裝，寬泛地使用環(huán)境和高集成度封裝給電路帶來更多工作穩(wěn)定性和移動便攜性。

恒流控制器、恒壓控制器是實現恒流充電、恒壓充電，以及自動跟蹤最大功率等功能的重要部件，主要核心是運算放大器LMV358。LMV358則是低電壓運放，它的最高工作電壓和最低工作電壓都比常見的LM358要低，LMV358適合用于低功耗場合，且具有軌至軌輸出特性，讓充電器更節(jié)能更穩(wěn)定。恒流控制器、恒壓控制器的前級是由運算放大器與電阻組成的采集跟隨器，顧名思義就是輸入電壓與輸出電壓相等，特點是輸入阻抗接近無窮大，而輸出阻抗又很小接近為0，在跟隨緩沖器后面接上負載，可以讓負載保證獲得較大電壓，且在電路設計過程中具有隔離電路的作用，即使得前、后級電路之間互不影響。數個LMV358及其附屬電路構成的跟隨器能夠將STM32單片機輸出的DAC信號跟隨之后輸出增強STM32的驅動能力。為了提高充電的穩(wěn)定性通過電路構成一個PI控制器，用小電容跨接在輸入和輸出，利用密勒效應可以用小電容起到大補償，減少環(huán)路的振蕩。恒流控制器，恒壓控制器能夠接受來自STM32的控制信號，從而穩(wěn)定控制充電過程中的電壓和電流，以實現多種充電功能，恒壓、恒流控制電路如圖3所示。

圖3 恒壓、恒流控制電路

3 系統軟件設計

軟件設計主要是STM32單片機的程序設計，分為兩個部分：一個是功能實現程序，負責實現恒流充電、恒壓充電，以及自動跟蹤最大功率等功能；一個是驅動外設的軟件，它驅動OLED芯片顯示數據，還驅動外部按鍵以實現對功能的選擇控制。

3.1 功能實現軟件程序的設計

軟件設計環(huán)境是覆蓋了STM32全系列的圖形化配置軟件平臺STM32CubeMX 和完美支持Cortex-MX系列芯片的單片機開發(fā)工具keil MDK5，使用的程序設計語言是C語言。在軟件中通過開啟STM32單片機自帶的ADC進行數據的采集，得到實時的充電電壓、電流值等信息，并對數據進行記錄、更新。將不同時刻的電壓電流信息進行對比，就能實現對充電電壓、電流的控制。

自動跟蹤最大功率功能的設計中，依據源線性電阻單口網絡向可變電阻負載傳輸最大功率的條件是：負載電阻與單口網絡的輸出電阻相等。通過控制電壓和電流，來控制等效電阻，只要實現負載電阻等于電源內阻，就能讓負載電池得到充電的最大輸出功率。要做到跟蹤最大功率，必須跟蹤輸入到DC-DC的電壓和電流，這里要用軟件去控制，實際上就是尋找Pi這個導數為0的凸點?？梢杂贸绦蚩刂苾蓚确亲罡吖β庶c，步進向中間最高功率點Pi逼近。可以先在電路啟動的時候設置充電輸出電流為0，然后略微擾動提高一點電流值，比如0.1A，那么可以采集到兩組電壓電流，上一時刻的V(k-1)和這一時刻的V(k)，上一時刻的I(k-1)和這一時刻的I(k)，進而可以計算出 P(k)和P(k-1)，可以通過增大或者減小輸出電壓，進而控制充電電流，進而控制跟蹤穩(wěn)定到最大功率點，最大功率跟蹤控制框圖如圖4所示。

圖4 最大功率跟蹤控制框圖

這里通過三層比較判定程序實現最大功率的自動追蹤。

（1）當前時刻采集到的功率值和前一刻采集到的功率值一樣大，則電壓比較值不變；

（2）若功率變化處在上升階段，當前時刻采集到的功率值比前一刻采集到的功率值大，并且當前時刻采集到的電壓值比前一時刻采集到的電壓值大，則電壓比較值增加，否則電壓比較值減??；

（3）若功率變化處在下降階段，當前時刻采集到的功率值比前一刻采集到的功率值小，并且當前時刻采集到的電壓值比前一時刻采集到的電壓值小，則電壓比較值增加，否則電壓比較值減小。

自動進行反復判定并由判定的結果決定輸出步進的方向，以期達到穩(wěn)定的最大功率輸出。

恒流充電、恒壓充電功能的設計主要依賴控制電路實現，程序負責監(jiān)控實時電壓電流，并將可由按鍵設定的恒定電壓值、恒定電流值輸入到恒流控制器、恒壓控制器進行跟隨控制，將PI控制器比例積分值設定在合理范圍，才能使得充電器穩(wěn)定輸出。

涓流充電是由程序控制的一種充電特性，程序一直在監(jiān)控當前時刻的電池充電電壓，當充電器充到手機電池最大承受的電壓時程序會進入選擇判定，充電模式自動轉為涓流充電，充電電流無限趨近于0，此時，手機電池電壓不再升高，手機電池上的功率幾乎為0，從而可以很好地保護手機電池，手機電池不僅不易老化，還能避免發(fā)生手機電池爆炸等事故，很好地兼顧了節(jié)能需求與安全需求。

3.2 外設驅動軟件程序的設計

軟件設計環(huán)境是覆蓋了STM32全系列的圖形化配置軟件平臺STM32CubeMX 和完美支持Cortex-MX系列芯片的單片機開發(fā)工具keil MDK5，使用的程序設計語言是C。在本設計中，充分利用了STM32系列單片機的高性能特性，從使用的直觀性、實用性出發(fā)，添加了OLED屏幕顯示，并且可以通過按鍵在屏幕上進行可視化操作。并且STM32的高拓展性還為本設計的未來增加了許多可能，目前設計中的外設主要有OLED屏幕和外置按鍵采用STM32單片機的I2C接口驅動外置OLED顯示芯片，將來在外設方面還有很大拓展空間，

外部按鍵對程序的控制主要體現在通過開關切換各種充電模式，程序還預設了選擇光標，以幫助使用者在顯示屏上調整設定想要的恒定充電電壓、電流，按鍵可對預設值進行加操作和減操作。當不處于恒壓、恒流設定模式或無操作時，加減按鍵可休眠，不影響其他操作。整個按鍵操作邏輯構建符合一般人的直覺性，屏幕顯示操作具有直觀性，使用體驗極易上手，充電過程清晰明了。

4 電路測試

硬件制作完成后，將軟件燒入單片機中，經過調試，功率P（2W）顯示在OLED屏幕最上端，中間顯示預設的恒定充電電壓SV（4.2V）、充電電流SI（0.1I），在下方顯示實時的充電電壓V（3.7V）、充電電流I（0.07I），測試數據達到了預定要求，如圖5所示。

圖5 OLED屏幕顯示

5 結束語

為解決傳統手機充電器痛點問題，本文提出了一種手機充電器設計方法，它可以不受多種家電設備的束縛（多種家電一起充電），進行自動跟蹤最大功率充電，相較于普通充電器擁有更高效率；充滿電自動切換為涓流充電，兼顧了節(jié)能需求與安全需求；并滿足使用者多種場景使用的需要，具有可調節(jié)的恒壓充電模式和可調節(jié)的恒流充電模式，能更多地滿足各類人群的需求。單片機控制下的數據可視化，通過設計，讓使用者能清晰地看到充電的過程。可控可視的按鍵調節(jié)設計優(yōu)化了用戶使用體驗，體現了讓科技創(chuàng)新更加人性化的設計理念。