C8051F310器件設(she)計鋰離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器。利用PWM脈寬調制產生可用軟件控(kong)制的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)源，以適應不(bu)同階段(duan)(duan)的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流的(de)要求。溫度傳感(gan)器對電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)溫度進行監測(ce)，并通過AD轉換和相關(guan)計算檢測(ce)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)(dian)流，以判(pan)斷電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)到(dao)達哪個階段(duan)(duan)。使(shi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)具有更長的(de)使(shi)用壽命(ming)。

設計過程

1  充電原理

　　電(dian)(dian)池的(de)(de)特性(xing)唯(wei)一地決定(ding)其(qi)安全性(xing)能和充電(dian)(dian)的(de)(de)效率。電(dian)(dian)池的(de)(de)最佳(jia)充電(dian)(dian)方(fang)法(fa)是由電(dian)(dian)池的(de)(de)化學成分決定(ding)的(de)(de)（鋰離子(zi)、鎳氫、鎳鎘還是SLA電(dian)(dian)池等）。盡管如此，大多數充電(dian)(dian)方(fang)案都(dou)包含下面(mian)的(de)(de)三個階段：

　　低電流調節階段

　　恒流階段

　　恒壓階段/充(chong)電(dian)終止(zhi)

　　所有電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)都(dou)是通過(guo)向自身傳(chuan)輸電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能的(de)方法進行充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)，一節電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)最大充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流取決(jue)于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)額(e)定容(rong)(rong)量（C）例(li)如，一節容(rong)(rong)量為(wei)1000mAh的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)在充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流為(wei)1000mA時，可(ke)以充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)1C（電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)容(rong)(rong)量的(de)1倍）也可(ke)以用1/50C（20mA）或更低的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流給(gei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。

　　現在使用的大多數充電器在(zai)給電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)時都是既使用低電(dian)流充(chong)電(dian)方(fang)式又使用額(e)定充(chong)電(dian)電(dian)流的(de)(de)方(fang)法，即容積充(chong)電(dian)，低充(chong)電(dian)電(dian)流通(tong)常(chang)使用在(zai)充(chong)電(dian)的(de)(de)初始(shi)階(jie)段。在(zai)這一階(jie)段，需要將(jiang)會(hui)導致充(chong)電(dian)過程終(zhong)止的(de)(de)芯片初期的(de)(de)自熱效(xiao)應減小到最(zui)低程度，容積充(chong)電(dian)通(tong)常(chang)用在(zai)充(chong)電(dian)的(de)(de)中級階(jie)段，電(dian)池(chi)的(de)(de)大部分能量都是在(zai)這一階(jie)段存儲的(de)(de)。

　　充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)時(shi)(shi)部分電(dian)能被(bei)轉換成熱能，直至電(dian)池充(chong)(chong)(chong)(chong)滿。而充(chong)(chong)(chong)(chong)滿后(hou)，所有的(de)電(dian)能將全部被(bei)轉換成熱能。如(ru)果此時(shi)(shi)不(bu)終止(zhi)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)，電(dian)池就會被(bei)損壞或燒(shao)毀。快速(su)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)器電(dian)池則可以解決這個問題，因為這些充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)器是使用高充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)電(dian)流來縮短充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)時(shi)(shi)間(jian)的(de)。

2  總體設計

　　充(chong)電(dian)電(dian)路由三部分(fen)：控制部分(fen)，檢(jian)測(ce)部分(fen)及充(chong)電(dian)部分(fen)組(zu)成。

　　如圖1所示，采(cai)用F310單片機進行(xing)充(chong)電(dian)控制，單片機本(ben)身具有(you)(you)脈寬調制PWM型(xing)開關穩壓電(dian)源(yuan)所需的(de)全部功能(neng)，具有(you)(you)10位A/D轉換器(qi)。

　　利(li)用單片機A/D端口，構成電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)，電(dian)(dian)流，溫度檢測電(dian)(dian)路。

 

 

 

    圖1  鋰(li)離子電(dian)池充電(dian)模塊圖

    單片機通過(guo)電壓反(fan)饋(kui)和電流反(fan)饋(kui)信號，直接利用PWM輸出將(jiang)數字電壓信號并轉化成(cheng)模(mo)擬電壓信號，能(neng)夠(gou)保(bao)證控(kong)制精度(du)。

3  控制部分電路設計

　　C8051F310單片(pian)機

　　①模擬外設

　　a.10位ADC：轉(zhuan)換速度可達(da)200ks/s,可多達(da)21或(huo)17個(ge)外部單端(duan)或(huo)差分輸入，VREF可在外部引腳或(huo)VDD中選擇(ze)，內(nei)置溫度傳感器（±3℃），外部轉(zhuan)換啟動輸入；

　　b.兩個模擬比較器：可編程回(hui)差電壓和響應時間，可配置為中斷或復位源(yuan)，小電流（〈0.5μA）。

　　②供電電壓

　　a.典型工(gong)作電流：5mA、25MHz；

　　b.典型停機電流(liu)：0.1μA；

　　c.溫度范圍：-40～+85℃。

　　③高(gao)速(su)8051微控(kong)制器內核

　　a.流水線指(zhi)令結構(gou)：70%的指(zhi)令的執行時(shi)間為一(yi)個或兩個系統(tong)時(shi)鐘周期；

　　b.速度(du)可達25MI/s（時(shi)(shi)鐘頻率為(wei)25MHz時(shi)(shi)）；

　　c.擴展(zhan)的中(zhong)斷系(xi)統。

　　④數字外設

　　a.29/25個端口(kou)I/O：所有的口(kou)線均耐5V電壓(ya)；

　　b.4個(ge)通用(yong)16位計(ji)數器/定時器；

　　c.16位(wei)可編程計數器/定時器陣列（PCA），有5個捕捉/比較模塊(kuai)；

　　d.使用PCA或定時(shi)器和外部時(shi)鐘(zhong)源的實時(shi)時(shi)鐘(zhong)方式。

　　控制(zhi)電(dian)(dian)路中如圖2所(suo)示，P0.3口(kou)(kou)提供充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)源，P0.6口(kou)(kou)檢測(ce)(ce)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓的(de)大小(xiao)，P0.5口(kou)(kou)檢測(ce)(ce)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流的(de)大小(xiao)，P0.4口(kou)(kou)檢測(ce)(ce)電(dian)(dian)池的(de)溫度。

  

 

    圖(tu)2  控制電路(lu)接線(xian)圖(tu)

　　充電(dian)電(dian)流(liu)由單(dan)片(pian)機脈寬調制PWM產生，充電(dian)電(dian)流(liu)由AD轉(zhuan)換再經過(guo)計算得出。

  

4  充電(dian)部分及檢測部分電(dian)路設計

　　圖3為充電電路與檢測電路圖。

  

 

    圖3  充電(dian)電(dian)路與檢測電(dian)路圖

 　　①充(chong)電(dian)過程曲線

　　如圖(tu)4所示，充電(dian)過程由預充狀(zhuang)態，恒流充電(dian)狀(zhuang)態和恒壓充電(dian)狀(zhuang)態組成。

  

 

    圖4  鋰(li)電池(chi)充電曲線

　　②快速轉換器

　　實現漸(jian)弱終止充電(dian)(dian)器(qi)的最經濟的方(fang)法就(jiu)是用(yong)一個(ge)快速(su)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器(qi)。快速(su)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器(qi)是用(yong)一個(ge)電(dian)(dian)感和/或一個(ge)變壓器(qi)（需要隔離的時候用(yong)變壓器(qi)）作(zuo)為能量(liang)存儲單(dan)元(yuan)以(yi)(yi)離散的能量(liang)包(bao)的形式(shi)將能量(liang)從輸入(ru)傳輸至輸出的開(kai)關(guan)(guan)調節(jie)器(qi)反饋電(dian)(dian)路，通過晶體(ti)管來(lai)調節(jie)能量(liang)的傳輸，同時也作(zuo)為過濾開(kai)關(guan)(guan)，以(yi)(yi)確保電(dian)(dian)壓或電(dian)(dian)流(liu)在負載時保持恒(heng)定。

　　快速調節器的操作是通過控制一個晶體管開關的占空比來實現的。占空比會自動增加以使電池流入更多的電流。當VBATT

 

 

  

a  開關(guan)閉(bi)合

 

  

b  開(kai)關打(da)開(kai)

    圖5  快速轉(zhuan)換器操作

　　③電感的確定

　　電(dian)(dian)感(gan)對交(jiao)(jiao)流電(dian)(dian)是有阻(zu)礙(ai)作用的(de)(de)。在(zai)交(jiao)(jiao)流電(dian)(dian)頻率一定的(de)(de)情況下，電(dian)(dian)感(gan)量(liang)越(yue)大，對交(jiao)(jiao)流電(dian)(dian)的(de)(de)阻(zu)礙(ai)能力越(yue)強，電(dian)(dian)感(gan)量(liang)越(yue)小，其阻(zu)礙(ai)能力越(yue)小。

　　其(qi)工作(zuo)原理(li)是(shi)這(zhe)樣的(de)(de)(de)：當負(fu)(fu)載(zai)兩(liang)(liang)端的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)要降(jiang)低時(shi)，通(tong)過(guo)(guo)MOSFET場(chang)效應(ying)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)開關(guan)作(zuo)用(yong)，外(wai)(wai)部(bu)電(dian)源對電(dian)感(gan)(gan)進行充(chong)電(dian)并(bing)達(da)到所需的(de)(de)(de)額(e)定電(dian)壓(ya)(ya)。當負(fu)(fu)載(zai)兩(liang)(liang)端地(di)電(dian)壓(ya)(ya)升高(gao)時(shi)，通(tong)過(guo)(guo)MOSFET場(chang)效應(ying)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)開關(guan)作(zuo)用(yong)，外(wai)(wai)部(bu)電(dian)源供(gong)電(dian)斷(duan)開，電(dian)感(gan)(gan)釋放出剛才充(chong)入的(de)(de)(de)能量，這(zhe)時(shi)電(dian)感(gan)(gan)就變成了(le)電(dian)源繼續對負(fu)(fu)載(zai)供(gong)電(dian)。隨著(zhu)電(dian)感(gan)(gan)上(shang)存儲(chu)的(de)(de)(de)能量地(di)消耗。負(fu)(fu)載(zai)兩(liang)(liang)端的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)開始逐漸(jian)降(jiang)低，外(wai)(wai)部(bu)電(dian)源通(tong)過(guo)(guo)MOSFET場(chang)效應(ying)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)開關(guan)作(zuo)用(yong)又要充(chong)電(dian)。