鋰離子電池具有較高的能量重量和能量體積比，無記憶效應，可重復充電次數多，使用壽命長，價格也越來越低。一個良好的充電器可使電池具有較長的壽命。利用C8051F310單片機設計的智能充電器，具有較高的測量精度，可很好的控制充電電流的大小，適時的調整，并可根據充電的狀態判斷充電的時間，及時終止充電，以避免電池的過充。
本文討論使用(yong)(yong)C8051F310器件(jian)設(she)計(ji)鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)池(chi)智能充(chong)電(dian)(dian)器的。利用(yong)(yong)PWM脈(mo)寬調制產生可用(yong)(yong)軟件(jian)控制的充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)源(yuan)，以適(shi)應不同階段(duan)(duan)的充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)的要求。溫(wen)度(du)傳感器對電(dian)(dian)池(chi)溫(wen)度(du)進行監測，并通(tong)過AD轉換和相關計(ji)算檢測電(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)流(liu)，以判斷電(dian)(dian)池(chi)到達哪個階段(duan)(duan)。使電(dian)(dian)池(chi)具有更長的使用(yong)(yong)壽命，更有效的充(chong)電(dian)(dian)方法(fa)。

　　設計過程

　　1 充電原理

　　電(dian)池的(de)特(te)性唯(wei)一(yi)地決定其安全性能和充(chong)電(dian)的(de)效率。電(dian)池的(de)最佳充(chong)電(dian)方(fang)法是由電(dian)池的(de)化學成分決定的(de)（鋰離子(zi)、鎳氫、鎳鎘還是SLA電(dian)池等）。盡管如此，大(da)多數充(chong)電(dian)方(fang)案都包含下(xia)面的(de)三個階(jie)段：

低電流調節階段
恒流階段
恒壓(ya)階段(duan)/充電終止

　　所有電(dian)(dian)(dian)池(chi)都是通過向自身傳輸電(dian)(dian)(dian)能的(de)(de)(de)方(fang)法進行充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)，一節電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)最大充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流取決于電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)額定容量（C）例如(ru)，一節容量為1000mAh的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)在充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流為1000mA時(shi)，可以充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)1C(電(dian)(dian)(dian)池(chi)容量的(de)(de)(de)1倍(bei))也可以用1/50C(20mA)或更低的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流給電(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)。盡管如(ru)此，這(zhe)只是一個普通的(de)(de)(de)低電(dian)(dian)(dian)流充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)方(fang)式，不適用于要求短(duan)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)間(jian)的(de)(de)(de)快速充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)方(fang)案。

　　現在使用的大多數充電器在給電池充電時都是既使用低電流充電方式又使用額定充電電流的方法，即容積充電，低充電電流通常使用在充電的初始階段。在這一階段，需要將會導致充電過程終止的芯片初期的自熱效應減小到最低程度，容積充電通常用在充電的中級階段，電池的大部分能量都是在這一階段存儲的。在電池充電的最后階段，通常充電時間的絕大部分都是消耗在這一階段，可以通過監測電流、電壓或兩者的值來決定何時結束充電。同樣，結束方案依賴于電池的化學特性，例如：大多數鋰離子電池充電器都是(shi)將電(dian)池(chi)電(dian)壓保持在恒定(ding)值，同時檢測最低電(dian)流。鎳(nie)鎘(ge)、NiCd電(dian)池(chi)用電(dian)壓或溫度的(de)變化(hua)率(lv)來(lai)決定(ding)充電(dian)的(de)結(jie)束時間(jian)。

　　充(chong)(chong)(chong)電時部分電能(neng)被轉換成熱(re)能(neng)，直至電池(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)滿(man)。而充(chong)(chong)(chong)滿(man)后，所(suo)有的電能(neng)將(jiang)全部被轉換成熱(re)能(neng)。如(ru)果此(ci)(ci)時不終止充(chong)(chong)(chong)電，電池(chi)(chi)就會(hui)被損壞或燒毀。快速充(chong)(chong)(chong)電器電池(chi)(chi)（完全充(chong)(chong)(chong)滿(man)的時間(jian)小(xiao)于兩小(xiao)時的充(chong)(chong)(chong)電器）則可以解(jie)決這個問題(ti)，因為(wei)這些(xie)充(chong)(chong)(chong)電器是使用高充(chong)(chong)(chong)電電流(liu)來縮短充(chong)(chong)(chong)電時間(jian)的。因此(ci)(ci)，對(dui)于鋰離子電池(chi)(chi)來說,監測它(ta)的溫(wen)度是至關重要的，因為(wei)電池(chi)(chi)在過充(chong)(chong)(chong)電時會(hui)發生爆(bao)裂(lie)，在所(suo)有的充(chong)(chong)(chong)電階段都(dou)應該隨時監測溫(wen)度的變化，并且在溫(wen)度超過最(zui)大設定值(zhi)時立即(ji)停(ting)止充(chong)(chong)(chong)電。

　　2 總體設計

　　充電(dian)(dian)電(dian)(dian)路由(you)三部分：控制(zhi)部分，檢測(ce)部分及(ji)充電(dian)(dian)部分組(zu)成(cheng)。如圖1所(suo)示，采(cai)用F310單片(pian)機(ji)進行充電(dian)(dian)控制(zhi)，單片(pian)機(ji)本(ben)身具有(you)脈寬調制(zhi)PWM型開(kai)關穩壓電(dian)(dian)源所(suo)需的(de)全(quan)部功能，具有(you)10位A/D轉換器(qi)。利(li)用單片(pian)機(ji)A/D端口，構成(cheng)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓，電(dian)(dian)流，溫度檢測(ce)電(dian)(dian)路。

圖(tu)1 鋰離子電(dian)池(chi)充電(dian)模塊圖(tu)

　　單片機通(tong)過電壓(ya)反饋(kui)和(he)電流反饋(kui)信號(hao)，直接利(li)用PWM輸出(chu)將數字電壓(ya)信號(hao)并(bing)轉化成模擬電壓(ya)信號(hao)，能夠(gou)保證控制精(jing)度。

　　3 控制部分電路設計(ji)

　　C8051F310單片機

　　①模擬外設

　　a.10位(wei)ADC：轉(zhuan)換速度(du)可(ke)達200ks/s,可(ke)多達21或17個外部(bu)單端(duan)或差分輸入(ru)，VREF可(ke)在外部(bu)引腳或VDD中選擇，內置(zhi)溫(wen)度(du)傳感(gan)器（±3℃），外部(bu)轉(zhuan)換啟動輸入(ru)；

　　b.兩個(ge)模擬比較(jiao)器：可(ke)編程回差電壓和(he)響應時間(jian)，可(ke)配(pei)置為中斷(duan)或復位源(yuan)，小電流（〈0.5μA）。

　　②供電電壓

　　a.典型(xing)工作電流：5mA、25MHz；

　　b.典型停機電流：0.1μA；

　　c.溫(wen)度范圍：-40～+85℃。

　　③高速8051微(wei)控(kong)制器內核

　　a.流水(shui)線指令結構：70%的指令的執行時間為(wei)一(yi)個或兩個系(xi)統(tong)時鐘周(zhou)期；

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

　　c.擴展的中斷系統。

　　④數字外設

　　a.29/25個端口(kou)I/O：所有的(de)口(kou)線均耐5V電(dian)壓；

　　b.4個通用(yong)16位計數器/定(ding)時(shi)器；

　　c.16位可編程計數器/定時(shi)器陣列（PCA），有(you)5個捕捉(zhuo)/比(bi)較模塊；

　　d.使用PCA或定時器和外部(bu)時鐘源的實時時鐘方式。

　　控制電(dian)(dian)路中如(ru)圖2所(suo)示，P0.3口提供(gong)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)源，P0.6口檢測(ce)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓的(de)大小，P0.5口檢測(ce)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)的(de)大小，P0.4口檢測(ce)電(dian)(dian)池的(de)溫度(du)。

圖2 控(kong)制電路接線圖

　　充電電流(liu)由(you)單片機脈寬(kuan)調制PWM產生(sheng)，充電電流(liu)由(you)AD轉換(huan)再經過計(ji)算(suan)得出。

4 充電部分及檢測部分電路設計

　　圖3為充電電路與檢(jian)測電路圖。

圖3 充電(dian)(dian)電(dian)(dian)路與檢測電(dian)(dian)路圖

　　①充電過程曲線

　　如圖4所示，充(chong)電(dian)過程(cheng)由預充(chong)狀(zhuang)態，恒流(liu)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態和恒壓充(chong)電(dian)狀(zhuang)態組成。

圖4 鋰電池充(chong)電曲線(xian)

　　②快速轉換器

　　實現(xian)漸弱(ruo)終止(zhi)充電(dian)器(qi)的(de)(de)(de)最經濟的(de)(de)(de)方法就是用(yong)一(yi)個快(kuai)速轉換器(qi)。快(kuai)速轉換器(qi)是用(yong)一(yi)個電(dian)感(gan)和/或(huo)一(yi)個變(bian)壓器(qi)（需要隔離的(de)(de)(de)時候用(yong)變(bian)壓器(qi)）作為能(neng)(neng)量(liang)存儲(chu)單元以離散的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)包(bao)的(de)(de)(de)形式將能(neng)(neng)量(liang)從輸(shu)入傳輸(shu)至(zhi)輸(shu)出的(de)(de)(de)開關調(diao)節(jie)器(qi)反饋(kui)電(dian)路(lu)，通過晶體管來調(diao)節(jie)能(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)(de)傳輸(shu)，同時也作為過濾(lv)開關，以確保電(dian)壓或(huo)電(dian)流在(zai)負載時保持恒定(ding)。

　　快速調節(jie)器的操作是通過控制一個晶體管開關的占空比來(lai)實現的。占空比會自動(dong)增加以(yi)使電(dian)池流入更(geng)多的電(dian)流。當VBATT

a 開關閉合

b 開關打開
圖(tu)5 快速(su)轉換器操作

　　③電感的確定

　　電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)對(dui)交流電(dian)(dian)(dian)(dian)是(shi)有阻礙(ai)作用(yong)的(de)(de)。在交流電(dian)(dian)(dian)(dian)頻率(lv)(lv)一定的(de)(de)情(qing)況下，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)量越(yue)(yue)(yue)(yue)大，對(dui)交流電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)阻礙(ai)能力(li)(li)越(yue)(yue)(yue)(yue)強，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)量越(yue)(yue)(yue)(yue)小，其(qi)阻礙(ai)能力(li)(li)越(yue)(yue)(yue)(yue)小。另外，在電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)量一定的(de)(de)情(qing)況下，交流電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)頻率(lv)(lv)越(yue)(yue)(yue)(yue)高，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)對(dui)交流電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)阻礙(ai)能力(li)(li)越(yue)(yue)(yue)(yue)大，頻率(lv)(lv)越(yue)(yue)(yue)(yue)低，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)對(dui)交流電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)阻礙(ai)能力(li)(li)越(yue)(yue)(yue)(yue)小。也就(jiu)是(shi)說，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)有阻止交流電(dian)(dian)(dian)(dian)通過(guo)的(de)(de)特性(xing)。

　　其工作(zuo)(zuo)原理是這(zhe)樣(yang)的(de)(de)：當負載(zai)兩(liang)端的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓要(yao)降(jiang)低(di)(di)時(shi)，通過(guo)MOSFET場效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)管(guan)的(de)(de)開(kai)(kai)關作(zuo)(zuo)用，外部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)對電(dian)(dian)(dian)(dian)感進行(xing)充電(dian)(dian)(dian)(dian)并達到所需的(de)(de)額定電(dian)(dian)(dian)(dian)壓。當負載(zai)兩(liang)端地(di)(di)(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓升(sheng)高時(shi)，通過(guo)MOSFET場效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)管(guan)的(de)(de)開(kai)(kai)關作(zuo)(zuo)用，外部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)供電(dian)(dian)(dian)(dian)斷(duan)開(kai)(kai)，電(dian)(dian)(dian)(dian)感釋(shi)放出剛才(cai)充入(ru)的(de)(de)能(neng)量，這(zhe)時(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)感就(jiu)變成了(le)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)繼續對負載(zai)供電(dian)(dian)(dian)(dian)。隨(sui)著電(dian)(dian)(dian)(dian)感上存儲的(de)(de)能(neng)量地(di)(di)(di)消耗。負載(zai)兩(liang)端的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓開(kai)(kai)始逐漸(jian)降(jiang)低(di)(di)，外部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)通過(guo)MOSFET場效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)管(guan)的(de)(de)開(kai)(kai)關作(zuo)(zuo)用又要(yao)充電(dian)(dian)(dian)(dian)。依次類推在不(bu)斷(duan)的(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)和放電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)過(guo)程中(zhong)形成了(le)一(yi)種穩定的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓，永遠使負載(zai)兩(liang)端地(di)(di)(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓不(bu)會升(sheng)高也不(bu)會降(jiang)低(di)(di)，這(zhe)就(jiu)是開(kai)(kai)關電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)最大優勢(shi)。

　　要確(que)定(ding)快速轉換器中電(dian)感的(de)大小(xiao)首先應假定(ding)晶體管的(de)占空(kong)比為50%，因為此時的(de)轉換器操作(zuo)操作(zuo)效率(lv)最高。占空(kong)比由方程式1給出：

　　（其中(zhong)T是PWM的(de)周期在程序示例中(zhong)T=10.5s）

　　占空比=ton/T（1）

　　至(zhi)此就可(ke)以選(xuan)擇一個PWM的轉換頻率(lv)（如方程式(shi)2所示）PWM的轉換頻率(lv)越大(da)，則(ze)電感的值越小(xiao)，也越節約成本。

　　我的(de)(de)示例代碼(ma)配置F310的(de)(de)8位(wei)硬件PWM是使用內部(bu)24.5MHz主時鐘的(de)(de)256分頻(pin)來產(chan)生一個(ge)95.7kHz的(de)(de)轉換速(su)率。

　　L=（Vi-Vsat-Voton）/2Iomax（2）

　　現在我們可以計算電(dian)(dian)感(gan)的大小了，假定充電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)Vi的值(zhi)為(wei)(wei)15V，飽和電(dian)(dian)壓(ya)(ya)Vsat的值(zhi)為(wei)(wei)0.5V，需要獲得的輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)值(zhi)為(wei)(wei)4.2V,并且最大輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)流IＯMAX為(wei)(wei)1500mA，那么，電(dian)(dian)感(gan)的值(zhi)至少應選為(wei)(wei)18H。

　　需要(yao)注意的(de)是：在本電路中的(de)電容僅僅是一個紋波(bo)衰減(jian)器，因為紋波(bo)與電容的(de)大(da)小(xiao)成反比例關系，所以電容的(de)值越大(da)，衰減(jian)效果越好。