課程設計---智能快速充電器電路設計

1、<p><b>　　智能快速充電器</b></p><p>　　摘要： 本文介紹了一種智能快速充電器的設計過程。該充電器基于 Motorola 公司的 MC68HC908SR12 單片機為控制核心，將 SR12 特有的模擬電路模塊、高精度 A/D 轉(zhuǎn)換 、 I 2 C 總線接口以及高速 PWM 等功能運用到充電控制中，詳細講述了其硬件和軟件的設計過程，并從元器件篩選、PCB 板繪制

2、和軟件設計等方面介紹了該 充電器 抑制和防電磁干擾的措施。 </p><p>　　關鍵詞： 單片機 A/D 轉(zhuǎn)換 I 2 C 總線 傳感器 電磁干擾 </p><p><b>　　1 、引言 </b></p><p>　　隨著便攜式設備不斷小型化、輕量化和高性能化，作為其電源的二次電池的使用率日益提高。我單位于 1998 年在對 充電器市場 調(diào)

3、研后，設計開發(fā)了 “ ZXG － 99 型智能快速充電器”， 1999 年設計定型，同年投入生產(chǎn)，截止到 2001 年底，已經(jīng)累計生產(chǎn)了 5000 多部，取得了一定的社會效益和經(jīng)濟效益。今年又簽定了幾千部的生產(chǎn)合同，但是隨著產(chǎn)量的逐年增加，以及 二次電池市場的不斷變化，該產(chǎn)品在設計中的不足越來越明顯。主要有以下幾點： </p><p>　　a ． “ ZXG － 99 型智能快速充電器”的中央微處理器選擇的是 O

4、TP 型 單片機 ，不 具有片上 FLASH 存儲器，程序固化后不能更改，這在產(chǎn)品批量生產(chǎn)時十分不便，而且隨著市場上 二次電池的充電特性不斷變化，設計人員要及時更改充電控制參數(shù)或開發(fā)新的充電算法，這樣對已出廠的產(chǎn)品只能更換新的 MCU ，增加了生產(chǎn)成本； </p><p>　　b ． “ ZXG － 99 型智能快速充電器”只能對 鎳鎘電池（ Nicd ） 和鎳氫電池（ NiMH ）充電，沒有涉及鋰離子電池，主要

5、原因是當時鋰離子電池的普及率低，價格高。但是鋰離子電池具有較高的能量重量比和能量體積比、無記憶效應、可多次重復充電、使用壽命長等優(yōu)點，促進了便攜式產(chǎn)品向更小更輕的方向發(fā)展，使得選用單節(jié)鋰離子電池供電的產(chǎn)品越來越多，同時其價格也越來越低。今后二次電池的主流將是鋰離子電池，作為一個完整的產(chǎn)品應該將其納入到設計中； </p><p>　　c ． 該 OTP 型單片機 的 A/D 采樣值只有 8 位，在對電池進行 - △

6、 V 檢測中精度不夠，不能對充電過程實行更精確的控制。 </p><p>　　在開發(fā)新型智能充電器中，首要環(huán)節(jié)就是 中央微處理器 MCU 的選型?？紤]到既要增加產(chǎn)品的智能化和實用性 ，又要降低生產(chǎn)成本， 最終決定 選用 Motorola 公司新近推出的 MC68HC908SR12 作為 新型 智能快速充電器的 MCU ，這是因為 SR12 具有模擬電路模塊、高精度 A/D （ 10 位）、 I 2 C 總線接口以

7、及高速 PWM 等功能，特別適合開發(fā)電池充電器和 SMBus 智能電池， 可極大的減少片外其它元器件的開銷，達到降低生產(chǎn)成本的目的，同時也提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性。 </p><p><b>　　2 、概述 </b></p><p>　　2.1 、功能特性 </p><p>　　? 以 MC68HC908SR12 單片機為控制核心； <

8、;/p><p>　　? 根據(jù)二次電池的充電特性，軟件智能識別 鎳鎘電池（ Nicd ） 、鎳氫電池（ NiMH ） 和鋰離子電池（ Li+ ），選擇相應的控制模塊和算法對其快速充電； </p><p>　　? 采用最高端電壓 V max 、最高溫度 T max 、最長充電時間 t max 、電壓負增長 - △ V 、溫度變化率△ T/ △ t 等快速充電終止法； </p>&

9、lt;p>　　? 能對 1 ～ 4 節(jié) 鎳鎘電池（ Nicd ） 、鎳氫電池（ NiMH ）單獨或同時充電； </p><p>　　? 能對 1 ～ 2 節(jié) 鋰離子電池（ Li+ ）單獨或同時充電； </p><p>　　? 充電速率，每 0.1Ah 的充電時間 ≤ 10min ； </p><p>　　? 對 鎳鎘電池（ Nicd ） 、鎳氫電池（

10、NiMH ）采用脈沖充電模式，消除記憶效應； </p><p>　　? 對 鋰離子電池（ Li+ ）采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電模式； </p><p>　　? 使用具有 I 2 C 接口的高精度數(shù)字溫度傳感器 LM92 ，檢測電池溫度； </p><p>　　? 設有過充電保護、過放電保護和過電流保護； </p><p>　　? 設有電池開路

11、、短路、反接保護； </p><p>　　? 快速充電結束后自動轉(zhuǎn)入涓流充電模式。 </p><p>　　2.2 、系統(tǒng)框圖 </p><p>　　該智能充電器 以 MC68HC908SR12 單片機為控制核心，主要包括電源電路、 恒流恒壓電路、溫度檢測電路、鍵盤響應電路以及狀態(tài)顯示電路。圖 1 是其系統(tǒng)框圖。 </p><p><b

12、>　　3 、 硬件設計 </b></p><p>　　3.1 、 電源電路 </p><p>　　使用開關電源作為充電器的供電設備。 </p><p>　　開關電源采用脈沖調(diào)制方式 PWM （ Pulse Width Modulation ）和 MOSFET 、 BTS 、 IGBT 等電子器件進行設計。開關電源集成化程度較高，具有調(diào)壓、限流、過熱

13、保護等功能。同線性電源相比其輸入電壓范圍寬（通?？蛇_交流 85 ～ 265V ）、體積小、重量輕、效率高。其缺點是有脈沖擾動干擾，設計電路板時采用同主控板隔離和添加屏蔽罩等措施，來抑制干擾。 </p><p>　　3.2 、恒流恒壓電路 </p><p>　　恒流恒壓電路是智能充電器的關鍵部分。圖 2 是其電路原理圖。恒流恒壓電路由 SR12 單片機片內(nèi)模擬電路模塊和片外的 MOSFET

14、開關管、肖特基二極管、濾波電感、濾波電容等器件組成。模擬電路模塊是 SR12 的特有部件，圖 3 為它的結構框圖。它由輸入多路開關、兩組 </p><p>　　可程控放大器、片內(nèi)溫度傳感器、電流檢測電路等組成?？沙炭胤糯笃骺偡糯蟊稊?shù)為 1 ～ 256 。放大器的輸入可選擇為兩路模擬輸入腳（ ATD0 、 ATD1 ）、片內(nèi)溫度傳感器、模擬地輸入（ V SSAM ）。 ATD0 和 V SSAM 間可接一個電流檢測

15、電阻，用于測量外部電流，它還連接至電流檢測電路，可在電流超過指定值時產(chǎn)生中斷并輸出信號。 </p><p>　　在充電開始前的預處理階段，根據(jù)不同的電池，軟件選擇相應的充電算法，將通道選擇控制字寫入 SR12 單片機的 AMCR 寄存器中，將兩級 可程控 運算放大器的增益值寫入 AMGCR 寄存器中。 充電開始后，軟件定時采集采樣電阻 R sense 上的電壓值，經(jīng)過計算，設置 SR12 單片機 PWM 的輸出參

16、數(shù)。同時，電流檢測電路實時檢測充電電流，在電流超過指定值時產(chǎn)生中斷并將 SR12 單片機的 PTC0/PWM0/CD 端口置為低電平， 及時關斷充電電流，實現(xiàn)恒流恒壓的充電控制。 </p><p>　　設計中為了減小電流的脈動，降低輸出紋波，在體積和成本允許的情況下設計選用飽和電流比較大的電感，因為當磁芯接近飽和時損耗增大，會降低轉(zhuǎn)換效率。電感的飽和電流至少應大于充電回路中的峰值電流。同時，電感的直流電阻會消耗一

17、定的功率，在體積和成本許可的情況下設計選用直流電阻盡量小的電感。另外對于低噪聲應用，為降低電源的 EMI ，設計選用具有閉合磁芯的電感。 </p><p>　　設計中選擇濾波電容的主要依據(jù)是系統(tǒng)對電源紋波的要求。濾波電容的等效串聯(lián)電阻（ ESR ）是造成輸出紋波的主要因素，而且也會影響到轉(zhuǎn)換效率，設計選用低 ESR 的電容。陶瓷電容和鉭電解電容具有較低的 ESR ，也可選用低 ESR 的鋁電解電容，但應盡量避免標

18、準鋁電解電容。容量一般在 10 μ F ～ 100 μ F ，對于較重的負載設計選取大一點的電容。較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應。 </p><p>　　在每次充電周期結束后，充電環(huán)路中可以觀察到振蕩現(xiàn)象。這是由于電感中的能量全部釋放給負載后，在電感自身的寄生電容和引腳分布電容中還儲存有一定的能量，在這些能量的作用下，電容和電感構成的諧振回路將發(fā)生振蕩，部分能量將以電磁波的形式向外輻射出去，造成對

19、 SR12 單片 機和其它電路的干擾，在對噪聲敏感的設計應用中必須對其加以抑制。在充電回路中接入肖特基二極管 D14 來抑制這種 EMI 。具體做法是，當電感中的能量釋放完畢后，通過 D14 使諧振電路處于臨界阻尼或過阻尼狀態(tài)，將剩余能量消耗在 D14 上，減小電磁輻射，確保 SR12 單片 機正常工作。同時，肖特基二極管 D14 的另一重要作用是吸收電感的反向電動勢，保護 MOSFET 開關管 Q6 。 </p><

20、;p>　　3.3 、溫度檢測電路 </p><p>　　在快速充電過程中，電池的溫度會隨著充電容量的增加而上升，尤其在接近充電終止時，溫度變化率△ T/ △ t 最大，該特性是判斷電池是否充滿的主要條件之一，因此，及時、快速和準確地檢測電池的溫度變化是本電路的關鍵。 </p><p>　　本設計選用集成電路溫度傳感器 LM92 檢測電池溫度，圖 4 為其電路原理圖。同時，利用 SR1

21、2 單片機的內(nèi)部溫度 傳感器概略監(jiān)測環(huán)境溫度，其測溫范圍 -20 ℃～ 70 ℃。 </p><p>　　圖 4 溫度檢測電路原理圖 </p><p>　　以往的充電器均多使用熱敏電阻作為溫度傳感器，在本設計中為何舍棄，這是因為熱敏電阻的電壓輸出與溫度并非成線性比，在高溫時的電壓變化率比較小，不易分辨，而且需依靠查表或加設電路才能得知輸出電壓與溫度的關系，其產(chǎn)品一致性差，在出廠前需要校正，

22、增加成本。 </p><p>　　集成電路溫度傳感器的參數(shù)輸出是與溫度成線性比，兩者之間的關系可以用公式來表達，故即使在較高的溫度范圍內(nèi)，集成電路溫度傳感器也具有很高的準確度，設計中需要較少的芯片支持，有助于節(jié)省印刷電路板的板面空間，簡化部分系統(tǒng)的設計，加快產(chǎn)品推向市場的時間。 </p><p>　　LM92 是美國國家半導體公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器。其內(nèi)部的 12 位溫度模數(shù)轉(zhuǎn)

23、換器，可將被感應溫度的模擬量轉(zhuǎn)換為 0.0625 ℃ 量化間隔的數(shù)字量，常溫下精度可達± 0.33 ℃，并可與用戶設置的溫度點進行比較。其片內(nèi)寄存器可以設置高 / 低的溫度窗口門限及臨界溫度告警門限，當溫度偏離設置門限時，漏級開路中斷 INT 及臨界溫度告警 T_CRIT_A 輸出有效信號。通過 I 2 C 總線接口可對該傳感器的內(nèi)部寄存器進行讀 / 寫操作，最多可允許 4 片 LM92 掛接在同一條串行總線上。 </p

24、><p>　　MC68HC908SR12 單片機具有 I 2 C 接口控制模塊，使用通道 0 （ SDA0 和 SCL0 ），可十分方便地同 溫度傳感器 LM92 連接。圖 4 為溫度檢測電路原理圖。 </p><p>　　LM92 采用 I 2 C 串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)同 MC68HC908SR12 單片機 的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中 LM92 為從器件，通過數(shù)據(jù)輸入、輸出線 SD

25、A 以及時鐘信號線 SCL 與總線相連。其傳輸時序如圖 5 所示。當 SCL 保持高電平時， SDA 從高電平到低電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始信號，隨后傳送 LM92 的地址信息和讀 / 寫控制位。地址信息的格式為： </p><p>　　根據(jù) A 1 A 0 的不同編碼，最多可允許 4 片 LM92 掛接在同一條串行總線上，分別對應四節(jié)充電電池。讀 / 寫控制位為 1 表示對 LM92 進行讀操作，為 0 表示

26、進行寫操作。每個字節(jié)傳送結束，要收到接收數(shù)據(jù)一方的應答信號（ ACK ）后方可開始下一步操作。最后，在 SCL 保持高電平的情況下， SDA 從低電平到高電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y束信號。 </p><p>　　具體操作過程是： MC68HC908SR12 單片機 首先傳送開始信號，接著寫入芯片地址信息和讀 / 寫控制位，之后寫入要訪問的片內(nèi)寄存器地址，當收到 LM92 的應答信號（ ACK ）后，再次傳送開始信

27、號，并寫入芯片地址信息和讀 / 寫控制位，當收到 LM92 的應答信號（ ACK ）后，可讀 / 寫被訪問寄存器的數(shù)據(jù)，最后傳送結束信號。 </p><p>　　3.4 、鍵盤響應電路 </p><p>　　設計鍵盤響應電路時，使用 MC68HC908SR12 單片機 PORT D （ PTD6 和 PTD7 ）端口的鍵盤中斷功能（ KBI ）。根據(jù)實際情況，在 MC68HC908SR12

28、 單片機的 鍵盤中斷使能寄存器 KBIER 中寫入相應的值，寫入“ 1 ”表示中斷允許，寫入“ 0 ”表示不能中斷。鍵盤中斷允許的端口， MC68HC908SR12 單片機將對其內(nèi)部上拉 30k Ω的電阻，這樣鍵盤響應電路的設計十分簡潔，要注意的是應用軟件中要增加鍵盤消抖動子程序，防止誤操作。 </p><p>　　3.5 、狀態(tài)顯示電路 </p><p>　　同樣，狀態(tài)顯示電路的設計使用

29、了 MC68HC908SR12 單片機 PORT A （ PTA0 ～ PTA5 ）端口的 LED 直接驅(qū)動功能。編程時首先設置 PORT A 的工作狀態(tài)，在 LED 控制 寄存器 LEDA 中寫入相應的值，寫入“ 1 ”表示可直接驅(qū)動 LED ，寫入“ 0 ”表示作為標準 I/O 端口。在充電的每個階段均有狀態(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過高進入溫控狀態(tài)、電池快充結束轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)等。 </p><

30、p><b>　　4 、軟件設計 </b></p><p>　　本智能快速充電器的軟件設計思想是：各個功能組件實現(xiàn)模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。目的是使應用軟件流程清晰，可讀性強，易于功能調(diào)試以及產(chǎn)品的維護和升級。 </p><p>　　本軟件主要由初始化、預處理、快速充電和 涓流充電四個部分組成。 其流程如圖 6 所示。 </p><

31、p><b>　　4.1 、初始化 </b></p><p>　　在程序的初始階段應首先對 MC68HC908SR12 單片機進行初始化操作，包括設置 I/O 端口的輸入輸出狀態(tài)，設置 PLL 鎖相環(huán)電路參數(shù)，設置 TIM 定時器參數(shù)等等。 </p><p><b>　　4.2 、預處理 </b></p><p>　　

32、預處理階段是進入快速充電前的準備工作。 </p><p>　　程序初始化后，首先利用 MC68HC908SR12 單片機的內(nèi)部溫度 傳感器檢測環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過低或過高時，均不能夠?qū)﹄姵剡M行充電，否則將損傷電池。例如： 鋰離子電池（ Li+ ）的適宜充電溫度范圍在 2.5 ℃～ 50 ℃之間。 </p><p>　　然后，設置 A/D 轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經(jīng)

33、驗值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時間的脈動電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學反應物質(zhì)，部分恢復受損的電池單元。對端電壓在標稱范圍內(nèi)的電池選擇相應的充電控制模塊和算法，對端電壓不在標稱范圍內(nèi)的電池，軟件自動將其剔除。 </p><p>　　4.3 、快速充電 </p><p>　　按預定的充電控制模塊和算法設置 MC68HC908SR12 單片機 PWM

34、的控制寄存器 PWMCR 、時鐘寄存器 PWMCCR 以及數(shù)據(jù)寄存器 PWMDR0 ～ PWMDR2 ，打開中斷使能位，開始快速充電。 </p><p>　　快速充電時， MC68HC908SR12 單片機 必須不斷檢測以下幾項關鍵技術指標：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否達到規(guī)定的安全電壓、電池是否溫度過高、電池是否滿足 - △ V 或△ T/ △ t 條件。 </p><

35、;p>　　其中電池的斷路主要通過檢測采樣電阻 R sense 上的電流大小來判斷。而且為了避免誤判斷，應該反復檢測。當出現(xiàn)斷路時，應重新返回預處理階段。斷路的判斷時機應該在電池端電壓已經(jīng)達到預定值的情況下進行，否則在電池端電壓沒有達到預定值的情況下，充電電流比較小，可能出現(xiàn)誤判斷。 </p><p>　　均衡充電是本智能充電器的另一個重要特點。在充電的過程中，由于電池的質(zhì)量不相同，容量小、質(zhì)量差的電池端電壓

36、在充入相同電量后會出現(xiàn)電壓增長比另一個電池多的情況，如果不采取措施，它們的電壓差將會增大，以至其中一個電池很快達到規(guī)定的安全電壓，充電過程也將被迫停止。此時應該停充電壓高的電池，即均衡充電。這樣有利于恢復電池內(nèi)受損的單元，使充電過程能順利地進行下去。 </p><p>　　電池的端電壓檢測使用 MC68HC908SR12 單片機的片上 10 位高精度 A/D 模塊，采用中斷控制方式，這樣可節(jié)省 MC68HC908

37、SR12 單片機在 A/D 轉(zhuǎn)換期間的等待時間。 端電壓檢測的數(shù)據(jù)，通過充電算法計算電池的電壓負增長 - △ V 是否滿足快速充電終止條件，時實修改 MC68HC908SR12 單片機 PWM 的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。 </p><p>　　電池的溫度檢測在端電壓檢測之后進行。 MC68HC908SR12 單片機通過設置不同的地址編碼（ A 1 A 0 ），訪問相應的數(shù)字溫度傳感器 LM92 ，讀取溫度數(shù)

38、據(jù)，通過充電算法計算電池的溫度變化率△ T/ △ t 是否滿足快速充電終止條件，時實修改 MC68HC908SR12 單片機 PWM 的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。 </p><p>　　為了防止電池被沖壞，在電池電壓到達最高端電壓 V max 或最高溫度 T max 時應立刻停止充電，否則會損壞電池。 </p><p>　　4.4 、涓流充電 </p><p>

39、　　快速充電結束后， MC68HC908SR12 單片機自動轉(zhuǎn)入涓流充電模式，補償電池因自放電而損失的電量，這樣可使電池總處于充足電的狀態(tài)。 </p><p><b>　　5 、結束語 </b></p><p>　　經(jīng)過幾個月的設計和調(diào)試，以 MC68HC908SR12 單片機為控制核心的智能快速充電器已能正常工作。由于 SR12 具有良好的性能價格比，將其特有的模擬