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(wen)討論使(shi)用C8051F310器(qi)(qi)(qi)件設計鋰離子電(dian)(dian)池(chi)智能充電(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)的(de)。利(li)用PWM脈(mo)寬調制(zhi)產生可(ke)用軟件控制(zhi)的(de)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)源，以適應(ying)不同階(jie)段的(de)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流的(de)要求。溫(wen)度傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)對電(dian)(dian)池(chi)溫(wen)度進行監(jian)測，并通過(guo)AD轉換(huan)和相(xiang)關(guan)計算檢測電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流，以判斷電(dian)(dian)池(chi)到達哪個階(jie)段。使(shi)電(dian)(dian)池(chi)具有更長的(de)使(shi)用壽命，更有效的(de)充電(dian)(dian)方法。

　　設計過程

　　1 充電原理

　　電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)特性唯一地(di)決定其(qi)安全性能和充(chong)(chong)電(dian)的(de)(de)效率。電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)最(zui)佳充(chong)(chong)電(dian)方法(fa)是由電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)化學(xue)成(cheng)分決定的(de)(de)（鋰離子(zi)、鎳氫、鎳鎘還是SLA電(dian)池(chi)(chi)等）。盡管如(ru)此，大多數充(chong)(chong)電(dian)方案都(dou)包含下面的(de)(de)三個階段：

低電流調節階段
恒流階段
恒壓階段(duan)/充電(dian)終止(zhi)

　　所(suo)有(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)池都是(shi)(shi)通過向自身傳輸電(dian)(dian)(dian)(dian)能的(de)(de)方法(fa)進行充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)，一(yi)節電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)最大充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流取決于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)額(e)定容量(liang)（C）例如，一(yi)節容量(liang)為1000mAh的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池在(zai)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流為1000mA時(shi)，可以(yi)(yi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)1C(電(dian)(dian)(dian)(dian)池容量(liang)的(de)(de)1倍)也可以(yi)(yi)用1/50C(20mA)或更(geng)低的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流給(gei)電(dian)(dian)(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。盡管(guan)如此，這(zhe)只(zhi)是(shi)(shi)一(yi)個(ge)普通的(de)(de)低電(dian)(dian)(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)方式，不適(shi)用于(yu)要求短(duan)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)間(jian)的(de)(de)快速充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)方案。

　　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將電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)保持(chi)在恒定值，同(tong)時檢測最低電(dian)(dian)(dian)流(liu)。鎳鎘、NiCd電(dian)(dian)(dian)池用電(dian)(dian)(dian)壓(ya)或溫度的(de)變化(hua)率來決定充電(dian)(dian)(dian)的(de)結束時間。

　　充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)(shi)(shi)部分(fen)電(dian)(dian)(dian)能被(bei)(bei)轉(zhuan)(zhuan)換成熱能，直至(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)滿。而充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)滿后，所有的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)能將(jiang)全部被(bei)(bei)轉(zhuan)(zhuan)換成熱能。如果此時(shi)(shi)(shi)不終止充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)，電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)就會被(bei)(bei)損壞或燒毀(hui)。快速充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)（完全充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)滿的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)間(jian)小(xiao)于(yu)兩小(xiao)時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)）則可(ke)以(yi)解決這(zhe)個問題，因為這(zhe)些充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)是使用高充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流來縮短充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)(shi)(shi)間(jian)的(de)(de)。因此，對于(yu)鋰(li)離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)來說,監測它的(de)(de)溫度是至(zhi)(zhi)關重要的(de)(de)，因為電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)在過充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)(shi)(shi)會發(fa)生(sheng)爆裂，在所有的(de)(de)充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)階段都應(ying)該(gai)隨時(shi)(shi)(shi)監測溫度的(de)(de)變化，并且在溫度超過最大設定值時(shi)(shi)(shi)立(li)即停(ting)止充(chong)(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)。

　　2 總體設計

　　充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)路(lu)(lu)由三部(bu)(bu)分(fen)：控制部(bu)(bu)分(fen)，檢測(ce)部(bu)(bu)分(fen)及充(chong)電(dian)(dian)部(bu)(bu)分(fen)組成。如圖1所示，采用F310單片機(ji)進行充(chong)電(dian)(dian)控制，單片機(ji)本身(shen)具(ju)(ju)有脈(mo)寬調制PWM型開關(guan)穩(wen)壓電(dian)(dian)源所需的全部(bu)(bu)功能，具(ju)(ju)有10位A/D轉換器。利用單片機(ji)A/D端口(kou)，構成電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓，電(dian)(dian)流，溫度檢測(ce)電(dian)(dian)路(lu)(lu)。

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

　　單片(pian)機通(tong)過電(dian)壓反(fan)饋和電(dian)流反(fan)饋信號(hao)，直(zhi)接利用PWM輸出將(jiang)數(shu)字電(dian)壓信號(hao)并(bing)轉化(hua)成(cheng)模擬電(dian)壓信號(hao)，能夠(gou)保證(zheng)控制精度(du)。

　　3 控制部分電路設計

　　C8051F310單片機

　　①模擬外設

　　a.10位ADC：轉換速(su)度(du)(du)可(ke)(ke)達200ks/s,可(ke)(ke)多達21或17個(ge)外部單端或差分輸入，VREF可(ke)(ke)在外部引(yin)腳或VDD中(zhong)選擇，內置溫(wen)度(du)(du)傳感器(qi)（±3℃），外部轉換啟動輸入；

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

　　②供電電壓

　　a.典型工(gong)作電流：5mA、25MHz；

　　b.典(dian)型(xing)停機電(dian)流：0.1μA；

　　c.溫度范圍：-40～+85℃。

　　③高(gao)速8051微控制器內核(he)

　　a.流(liu)水線指令結構(gou)：70%的指令的執(zhi)行時(shi)間為一個或兩(liang)個系統時(shi)鐘周期(qi)；

　　b.速度可達25MI/s（時鐘(zhong)頻率為(wei)25MHz時）；

　　c.擴展的中斷系統。

　　④數字外設

　　a.29/25個端口(kou)I/O：所有(you)的口(kou)線(xian)均耐5V電壓；

　　b.4個通用16位(wei)計數器/定時器；

　　c.16位(wei)可編(bian)程計數(shu)器/定時器陣列(lie)（PCA），有5個捕捉/比較模塊；

　　d.使用PCA或定時(shi)(shi)器和外部時(shi)(shi)鐘源的(de)實時(shi)(shi)時(shi)(shi)鐘方式(shi)。

　　控制(zhi)電(dian)路中如(ru)圖2所示，P0.3口提供充(chong)電(dian)電(dian)源，P0.6口檢(jian)(jian)測充(chong)電(dian)電(dian)壓的(de)(de)大小，P0.5口檢(jian)(jian)測充(chong)電(dian)電(dian)流的(de)(de)大小，P0.4口檢(jian)(jian)測電(dian)池的(de)(de)溫(wen)度。

圖2 控制電路接線(xian)圖

　　充(chong)電電流由單片機脈寬調制(zhi)PWM產生，充(chong)電電流由AD轉換再經過計算得出。

4 充電部分(fen)及(ji)檢測部分(fen)電路設計(ji)

　　圖(tu)3為充電(dian)電(dian)路(lu)與檢測(ce)電(dian)路(lu)圖(tu)。

圖3 充電電路與檢測電路圖

　　①充電過程曲線

　　如圖4所(suo)示，充(chong)電(dian)過程(cheng)由預(yu)充(chong)狀態，恒流充(chong)電(dian)狀態和恒壓(ya)充(chong)電(dian)狀態組成。

圖4 鋰電(dian)池充電(dian)曲線

　　②快速轉換器

　　實現漸(jian)弱終止充電(dian)器(qi)的(de)(de)最經濟的(de)(de)方法(fa)就(jiu)是用(yong)(yong)一(yi)個(ge)快速(su)轉換器(qi)。快速(su)轉換器(qi)是用(yong)(yong)一(yi)個(ge)電(dian)感和(he)/或一(yi)個(ge)變壓(ya)器(qi)（需要隔(ge)離(li)的(de)(de)時候用(yong)(yong)變壓(ya)器(qi)）作(zuo)為能量(liang)存儲單(dan)元以離(li)散(san)的(de)(de)能量(liang)包的(de)(de)形式將能量(liang)從輸(shu)入傳輸(shu)至(zhi)輸(shu)出的(de)(de)開(kai)關調節器(qi)反饋(kui)電(dian)路，通(tong)過晶體管來調節能量(liang)的(de)(de)傳輸(shu)，同時也作(zuo)為過濾(lv)開(kai)關，以確保(bao)電(dian)壓(ya)或電(dian)流(liu)在(zai)負載時保(bao)持恒定(ding)。

　　快(kuai)速調節器的操(cao)作是通過控制一(yi)個晶體管開(kai)關的占空(kong)比來(lai)實現的。占空(kong)比會自動增加(jia)以使(shi)電池(chi)流入(ru)更多的電流。當VBATT

a 開關閉合

b 開關打開
圖5 快(kuai)速(su)轉換器操作

　　③電感的確定

　　電(dian)感對交流(liu)電(dian)是有(you)阻(zu)礙作(zuo)用的。在交流(liu)電(dian)頻(pin)(pin)(pin)率一(yi)定的情況下(xia)，電(dian)感量越(yue)(yue)大，對交流(liu)電(dian)的阻(zu)礙能力(li)越(yue)(yue)強，電(dian)感量越(yue)(yue)小，其阻(zu)礙能力(li)越(yue)(yue)小。另外，在電(dian)感量一(yi)定的情況下(xia)，交流(liu)電(dian)的頻(pin)(pin)(pin)率越(yue)(yue)高(gao)，電(dian)感對交流(liu)電(dian)的阻(zu)礙能力(li)越(yue)(yue)大，頻(pin)(pin)(pin)率越(yue)(yue)低，電(dian)感對交流(liu)電(dian)的阻(zu)礙能力(li)越(yue)(yue)小。也就(jiu)是說(shuo)，電(dian)感有(you)阻(zu)止交流(liu)電(dian)通過的特(te)性。

　　其工作(zuo)原理是這(zhe)樣的(de)：當負(fu)(fu)(fu)載(zai)兩(liang)端(duan)(duan)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)要降低(di)時(shi)，通(tong)過(guo)(guo)MOSFET場效應管(guan)的(de)開(kai)關(guan)作(zuo)用(yong)，外部電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)感進行充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)并達到所需的(de)額定電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。當負(fu)(fu)(fu)載(zai)兩(liang)端(duan)(duan)地(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)升高(gao)時(shi)，通(tong)過(guo)(guo)MOSFET場效應管(guan)的(de)開(kai)關(guan)作(zuo)用(yong)，外部電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)供電(dian)(dian)(dian)(dian)斷開(kai)，電(dian)(dian)(dian)(dian)感釋放(fang)出剛才充(chong)入的(de)能量(liang)，這(zhe)時(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)感就變(bian)成(cheng)了電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)繼(ji)續對(dui)負(fu)(fu)(fu)載(zai)供電(dian)(dian)(dian)(dian)。隨(sui)著電(dian)(dian)(dian)(dian)感上存儲(chu)的(de)能量(liang)地(di)消(xiao)耗。負(fu)(fu)(fu)載(zai)兩(liang)端(duan)(duan)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)開(kai)始逐漸降低(di)，外部電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)通(tong)過(guo)(guo)MOSFET場效應管(guan)的(de)開(kai)關(guan)作(zuo)用(yong)又要充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。依次(ci)類推(tui)在(zai)不斷的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)和放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)過(guo)(guo)程中形成(cheng)了一種(zhong)穩定的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，永遠使負(fu)(fu)(fu)載(zai)兩(liang)端(duan)(duan)地(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)不會(hui)升高(gao)也不會(hui)降低(di)，這(zhe)就是開(kai)關(guan)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)最大優勢。

　　要(yao)確定(ding)快(kuai)速轉換(huan)器(qi)中電感的大(da)小首先(xian)應(ying)假定(ding)晶體(ti)管的占(zhan)空比為50%，因為此時的轉換(huan)器(qi)操(cao)作操(cao)作效率最高。占(zhan)空比由(you)方程式1給出：

　　（其中T是PWM的周期在程(cheng)序(xu)示例中T=10.5s）

　　占空比(bi)=ton/T（1）

　　至(zhi)此就可以(yi)選擇一個PWM的(de)轉(zhuan)換頻(pin)率（如方程式2所示(shi)）PWM的(de)轉(zhuan)換頻(pin)率越大，則電(dian)感的(de)值越小，也(ye)越節約成本。

　　我的(de)示例代碼配(pei)置F310的(de)8位硬件PWM是(shi)使用內部(bu)24.5MHz主(zhu)時鐘的(de)256分頻來(lai)產生一個95.7kHz的(de)轉換(huan)速率(lv)。

　　L=（Vi-Vsat-Voton）/2Iomax（2）

　　現在我們可以計算電感的大小(xiao)了，假(jia)定充電電壓(ya)Vi的值(zhi)為15V，飽和電壓(ya)Vsat的值(zhi)為0.5V，需要獲得的輸出電壓(ya)值(zhi)為4.2V,并且最(zui)大輸出電流IＯMAX為1500mA，那么，電感的值(zhi)至少應選為18H。

　　需(xu)要注意的是(shi)：在本(ben)電(dian)(dian)路中(zhong)的電(dian)(dian)容僅(jin)僅(jin)是(shi)一個紋波衰減器，因為(wei)紋波與電(dian)(dian)容的大小(xiao)成反(fan)比(bi)例關系，所以電(dian)(dian)容的值越(yue)(yue)大，衰減效果越(yue)(yue)好(hao)。