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(gao)的(de)測量精度(du)，可很好的(de)控(kong)制(zhi)充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)的(de)大小，適時的(de)調整，并可根(gen)據充(chong)(chong)電(dian)的(de)狀(zhuang)態判(pan)斷充(chong)(chong)電(dian)的(de)時間，及時終(zhong)止充(chong)(chong)電(dian)，以避免電(dian)池的(de)過(guo)充(chong)(chong)。

　　本文(wen)討論(lun)使用(yong)(yong)C8051F310器(qi)(qi)件設計鋰(li)離(li)子電(dian)池充(chong)電(dian)器(qi)(qi)的(de)(de)。利用(yong)(yong)PWM脈寬調(diao)制(zhi)產生可用(yong)(yong)軟(ruan)件控制(zhi)的(de)(de)充(chong)電(dian)電(dian)源，以適應不同階段的(de)(de)充(chong)電(dian)電(dian)流的(de)(de)要求。溫度(du)傳感(gan)器(qi)(qi)對電(dian)池溫度(du)進行監測(ce)，并通過AD轉換和(he)(he)相關(guan)計算檢測(ce)電(dian)池充(chong)電(dian)電(dian)壓和(he)(he)電(dian)流，以判斷(duan)電(dian)池到達哪個(ge)階段。使電(dian)池具有更長的(de)(de)使用(yong)(yong)壽命，更有效的(de)(de)充(chong)電(dian)方法。

　　設計過程

　　1 充電原理

　　電(dian)池(chi)的(de)(de)特性唯一地(di)決(jue)定其(qi)安全性能和充電(dian)的(de)(de)效率。電(dian)池(chi)的(de)(de)最(zui)佳充電(dian)方法是(shi)由電(dian)池(chi)的(de)(de)化(hua)學成分決(jue)定的(de)(de)（鋰離子(zi)、鎳氫、鎳鎘(ge)還是(shi)SLA電(dian)池(chi)等）。盡管(guan)如此(ci)，大多數充電(dian)方案(an)都包(bao)含下面的(de)(de)三(san)個(ge)階(jie)段：

　　● 低電流(liu)調(diao)節階(jie)段

　　● 恒流階段

　　● 恒壓階段(duan)/充電終止

　　所有電(dian)(dian)池都(dou)是通過(guo)向(xiang)自身傳輸電(dian)(dian)能的(de)(de)方(fang)法進行充(chong)(chong)電(dian)(dian)的(de)(de)，一(yi)節(jie)電(dian)(dian)池的(de)(de)最(zui)大充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)取決于電(dian)(dian)池的(de)(de)額(e)定容量(liang)（C）例如，一(yi)節(jie)容量(liang)為1000mAh的(de)(de)電(dian)(dian)池在充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)為1000mA時，可以(yi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)1C（電(dian)(dian)池容量(liang)的(de)(de)1倍）也可以(yi)用1/50C（20mA）或更低的(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)給電(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)。盡管(guan)如此，這只是一(yi)個(ge)普通的(de)(de)低電(dian)(dian)流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)方(fang)式，不(bu)適用于要求短(duan)充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間的(de)(de)快(kuai)速充(chong)(chong)電(dian)(dian)方(fang)案。

　　現在使用的大多數充電器在給電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)(shi)都是(shi)(shi)既使(shi)用(yong)低電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)方(fang)式(shi)又使(shi)用(yong)額定充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法，即(ji)容(rong)積充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，低充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)通常(chang)使(shi)用(yong)在充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)初始階段(duan)。在這(zhe)一(yi)階段(duan)，需(xu)要將會(hui)導致充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)程(cheng)終止的(de)(de)(de)(de)芯(xin)片初期的(de)(de)(de)(de)自熱(re)效應減小到(dao)最低程(cheng)度，容(rong)積充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)通常(chang)用(yong)在充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)中(zhong)級階段(duan)，電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)大(da)部(bu)分能量都是(shi)(shi)在這(zhe)一(yi)階段(duan)存儲的(de)(de)(de)(de)。在電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)最后階段(duan)，通常(chang)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)(shi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)絕大(da)部(bu)分都是(shi)(shi)消耗在這(zhe)一(yi)階段(duan)，可以(yi)通過(guo)監測電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)、電(dian)(dian)(dian)(dian)壓或兩者的(de)(de)(de)(de)值(zhi)來決定何(he)時(shi)(shi)結束(shu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。同(tong)樣，結束(shu)方(fang)案依賴于電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)化(hua)學特性，例(li)如：大(da)多數鋰離子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器都是(shi)(shi)將電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓保(bao)持在恒(heng)定值(zhi)，同(tong)時(shi)(shi)檢(jian)測最低電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。鎳(nie)鎘、NiCd電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)用(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓或溫(wen)度的(de)(de)(de)(de)變化(hua)率(lv)來決定充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)結束(shu)時(shi)(shi)間(jian)。

　　圖1 鋰離子電池充電模塊圖

　　充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)時(shi)部分電(dian)(dian)能(neng)被轉換成熱能(neng)，直(zhi)至電(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)(chong)滿(man)(man)。而充(chong)(chong)(chong)滿(man)(man)后，所(suo)有的(de)電(dian)(dian)能(neng)將全(quan)部被轉換成熱能(neng)。如果此時(shi)不終止充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)，電(dian)(dian)池(chi)(chi)就會被損(sun)壞或燒毀。快速充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)（完全(quan)充(chong)(chong)(chong)滿(man)(man)的(de)時(shi)間(jian)小于兩小時(shi)的(de)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)）則(ze)可以解決這個問題，因為這些(xie)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)是使用高充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流來縮短充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)時(shi)間(jian)的(de)。因此，對于鋰離子電(dian)(dian)池(chi)(chi)來說，監測它的(de)溫度(du)(du)是至關重(zhong)要的(de)，因為電(dian)(dian)池(chi)(chi)在(zai)過充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)時(shi)會發(fa)生爆裂，在(zai)所(suo)有的(de)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)階段都應該隨時(shi)監測溫度(du)(du)的(de)變化，并且在(zai)溫度(du)(du)超過最大設(she)定值時(shi)立(li)即(ji)停止充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)。

　　2 總體設計

　　充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)路由三部(bu)分：控(kong)(kong)制部(bu)分，檢測部(bu)分及充電(dian)(dian)(dian)部(bu)分組成。如(ru)圖1所示，采用F310單(dan)(dan)片機進行(xing)充電(dian)(dian)(dian)控(kong)(kong)制，單(dan)(dan)片機本身具(ju)(ju)有脈寬(kuan)調(diao)制PWM型開關穩壓電(dian)(dian)(dian)源所需(xu)的全部(bu)功能(neng)，具(ju)(ju)有10位A/D轉換器。利用單(dan)(dan)片機A/D端口(kou)，構成電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓，電(dian)(dian)(dian)流，溫度檢測電(dian)(dian)(dian)路。

　　單片(pian)機通過電(dian)壓反饋和電(dian)流反饋信(xin)號(hao)(hao)，直接利用PWM輸出將數(shu)字電(dian)壓信(xin)號(hao)(hao)并轉化成(cheng)模擬(ni)電(dian)壓信(xin)號(hao)(hao)，能夠保證控制精(jing)度。

　　3 控制部分電路設計(ji)

　　C8051F310單片機

　　①模擬外設

　　a.10位ADC：轉(zhuan)換速度(du)可(ke)達200ks/s,可(ke)多達21或(huo)17個外部單端或(huo)差分(fen)輸(shu)入，VREF可(ke)在外部引腳或(huo)VDD中選擇，內(nei)置(zhi)溫(wen)度(du)傳感(gan)器（±3℃），外部轉(zhuan)換啟動(dong)輸(shu)入；

　　b.兩(liang)個模擬比較器：可編程回差電(dian)壓和響應(ying)時間，可配置(zhi)為中(zhong)斷或復位源，小(xiao)電(dian)流（〈0.5μA）。

　　②供電電壓

　　a.典型(xing)工作電流：5mA、25MHz；

　　b.典(dian)型停機電(dian)流：0.1μA；

　　c.溫度范(fan)圍：-40～+85℃。

　　③高(gao)速8051微控制器內核

　　a.流水線(xian)指令結構：70%的(de)指令的(de)執行時間為一個(ge)或(huo)兩個(ge)系統時鐘周(zhou)期；

　　b.速(su)度可(ke)達25MI/s（時(shi)鐘頻率為25MHz時(shi)）；

　　c.擴展(zhan)的中斷系統。

　　④數字外設

　　a.29/25個端口I/O：所(suo)有(you)的口線(xian)均耐5V電壓；

　　b.4個通用16位計(ji)數(shu)器(qi)/定(ding)時器(qi)；

　　c.16位(wei)可編程計(ji)數(shu)器/定時器陣列（PCA），有(you)5個捕捉/比較模塊；

　　d.使用PCA或定時器和外(wai)部時鐘源(yuan)的(de)實時時鐘方式。

　　控制電(dian)(dian)路中如圖2所示，P0.3口(kou)提供(gong)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)源，P0.6口(kou)檢測充電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓的大(da)(da)小(xiao)，P0.5口(kou)檢測充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流的大(da)(da)小(xiao)，P0.4口(kou)檢測電(dian)(dian)池的溫度。

　　充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流由單片機脈(mo)寬調制(zhi)PWM產(chan)生，充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流由AD轉(zhuan)換(huan)再經過計算得出。

　　4 充電(dian)部分及檢測部分電(dian)路設計

　　圖(tu)2 控制電路(lu)接線圖(tu)

　　圖3 充(chong)電(dian)電(dian)路與檢測電(dian)路圖

　　圖3為充電(dian)(dian)電(dian)(dian)路與檢(jian)測電(dian)(dian)路圖。

　　①充電過程曲線

　　圖(tu)4 鋰(li)電(dian)池充(chong)電(dian)曲線

　　如圖4所示，充(chong)電(dian)過程由預(yu)充(chong)狀(zhuang)態，恒流充(chong)電(dian)狀(zhuang)態和恒壓充(chong)電(dian)狀(zhuang)態組成。

　　②快速轉換器

　　實現漸弱終止充電器的(de)(de)(de)最經濟的(de)(de)(de)方法就是(shi)用(yong)(yong)一個快速(su)轉換器(qi)。快速(su)轉換器(qi)是(shi)用(yong)(yong)一個電(dian)感和/或一個變壓器(qi)（需要隔離(li)(li)的(de)(de)(de)時候用(yong)(yong)變壓器(qi)）作為(wei)能(neng)量存(cun)儲單元以離(li)(li)散(san)的(de)(de)(de)能(neng)量包(bao)的(de)(de)(de)形式將能(neng)量從輸入傳(chuan)輸至(zhi)輸出的(de)(de)(de)開關(guan)調節(jie)器(qi)反饋電(dian)路，通過晶體管來調節(jie)能(neng)量的(de)(de)(de)傳(chuan)輸，同時也作為(wei)過濾開關(guan)，以確(que)保電(dian)壓或電(dian)流(liu)在負(fu)載時保持(chi)恒定。

　　如圖(tu)a開關閉合

　　如圖b開關打開

　　快速調節(jie)器(qi)的操作是通過控(kong)制一(yi)個晶體管開關的占空比來(lai)實現(xian)的。占空比會自動(dong)增加以使(shi)電池流入(ru)更多的電流。當VBATT

　　③電感的確定

　　電(dian)感(gan)對交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)是有阻(zu)礙(ai)(ai)作(zuo)用的(de)。在交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)頻(pin)率(lv)一定的(de)情況下，電(dian)感(gan)量越(yue)(yue)(yue)大(da)，對交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)的(de)阻(zu)礙(ai)(ai)能力越(yue)(yue)(yue)強，電(dian)感(gan)量越(yue)(yue)(yue)小(xiao)(xiao)，其阻(zu)礙(ai)(ai)能力越(yue)(yue)(yue)小(xiao)(xiao)。另(ling)外，在電(dian)感(gan)量一定的(de)情況下，交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)的(de)頻(pin)率(lv)越(yue)(yue)(yue)高，電(dian)感(gan)對交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)的(de)阻(zu)礙(ai)(ai)能力越(yue)(yue)(yue)大(da)，頻(pin)率(lv)越(yue)(yue)(yue)低，電(dian)感(gan)對交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)的(de)阻(zu)礙(ai)(ai)能力越(yue)(yue)(yue)小(xiao)(xiao)。也就是說，電(dian)感(gan)有阻(zu)止交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)通(tong)過的(de)特性。

　　其(qi)工作(zuo)原(yuan)理是這樣的(de)(de)(de)：當負(fu)(fu)載(zai)兩(liang)(liang)端(duan)的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)要降(jiang)低(di)時，通過MOSFET場(chang)效(xiao)應(ying)(ying)管(guan)的(de)(de)(de)開(kai)(kai)關作(zuo)用(yong)，外部(bu)電(dian)源對(dui)電(dian)感進行(xing)充(chong)(chong)電(dian)并達到(dao)所需的(de)(de)(de)額定(ding)電(dian)壓(ya)(ya)。當負(fu)(fu)載(zai)兩(liang)(liang)端(duan)地電(dian)壓(ya)(ya)升高時，通過MOSFET場(chang)效(xiao)應(ying)(ying)管(guan)的(de)(de)(de)開(kai)(kai)關作(zuo)用(yong)，外部(bu)電(dian)源供電(dian)斷(duan)開(kai)(kai)，電(dian)感釋放(fang)出(chu)剛才(cai)充(chong)(chong)入的(de)(de)(de)能(neng)量，這時電(dian)感就(jiu)變成(cheng)了電(dian)源繼(ji)續(xu)對(dui)負(fu)(fu)載(zai)供電(dian)。隨著電(dian)感上存儲的(de)(de)(de)能(neng)量地消耗。負(fu)(fu)載(zai)兩(liang)(liang)端(duan)的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)開(kai)(kai)始逐漸降(jiang)低(di)，外部(bu)電(dian)源通過MOSFET場(chang)效(xiao)應(ying)(ying)管(guan)的(de)(de)(de)開(kai)(kai)關作(zuo)用(yong)又(you)要充(chong)(chong)電(dian)。依(yi)次類推在(zai)不(bu)(bu)斷(duan)的(de)(de)(de)充(chong)(chong)電(dian)和放(fang)電(dian)的(de)(de)(de)過程中形成(cheng)了一種(zhong)穩定(ding)的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)，永(yong)遠使負(fu)(fu)載(zai)兩(liang)(liang)端(duan)地電(dian)壓(ya)(ya)不(bu)(bu)會(hui)升高也不(bu)(bu)會(hui)降(jiang)低(di)，這就(jiu)是開(kai)(kai)關電(dian)源的(de)(de)(de)最大優(you)勢。

　　要確定快速轉換器中電感的(de)大(da)小首先應假定晶體(ti)管的(de)占空比為(wei)50%，因為(wei)此時的(de)轉換器操作(zuo)操作(zuo)效率最高。占空比由方程式1給出：

　　（其(qi)中T是PWM的(de)周期在程(cheng)序示例中T=10.5s）

　　占空比=ton/T （1）

　　至此(ci)就可以選擇一個PWM的轉換(huan)頻(pin)率（如方程式2所示）PWM的轉換(huan)頻(pin)率越大，則電感的值越小(xiao)，也(ye)越節約成(cheng)本。

　　我的(de)(de)示例代碼配(pei)置F310的(de)(de)8位硬件(jian)PWM是使用內部24.5MHz主時鐘的(de)(de)256分頻來產生一個(ge)95.7kHz的(de)(de)轉換速率。

　　L=（Vi-Vsat-Voton）/2Iomax （2）

　　現在我(wo)們可以計算電(dian)(dian)感的(de)(de)大小了，假定充電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓Vi的(de)(de)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)15V，飽(bao)和電(dian)(dian)壓Vsat的(de)(de)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)0.5V，需要獲(huo)得的(de)(de)輸出(chu)電(dian)(dian)壓值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)4.2V,并且最大輸出(chu)電(dian)(dian)流IＯMAX為(wei)(wei)1500mA，那么，電(dian)(dian)感的(de)(de)值(zhi)(zhi)至(zhi)少應(ying)選(xuan)為(wei)(wei)18H。

　　需要注意(yi)的是：在本電(dian)路中(zhong)的電(dian)容(rong)僅(jin)僅(jin)是一個紋波(bo)衰(shuai)減(jian)器，因為紋波(bo)與電(dian)容(rong)的大小成反比例關系，所以(yi)電(dian)容(rong)的值越(yue)大，衰(shuai)減(jian)效果越(yue)好。