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(ju)有較高的(de)測(ce)量精度，可(ke)很好(hao)的(de)控(kong)制充電電流的(de)大(da)小，適(shi)時的(de)調整(zheng)，并(bing)可(ke)根據(ju)充電的(de)狀態判(pan)斷充電的(de)時間，及(ji)時終止充電，以(yi)避(bi)免電池的(de)過充。

　　本文討(tao)論使用(yong)(yong)C8051F310器件設計鋰離子電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)器的(de)(de)。利用(yong)(yong)PWM脈寬調制(zhi)產生可用(yong)(yong)軟件控制(zhi)的(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)源，以適(shi)應不同階段的(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)要求。溫(wen)度傳(chuan)感器對電(dian)(dian)池溫(wen)度進行監測，并(bing)通(tong)過AD轉換和(he)(he)相(xiang)關計算檢測電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓和(he)(he)電(dian)(dian)流(liu)，以判斷電(dian)(dian)池到達(da)哪個(ge)階段。使電(dian)(dian)池具(ju)有(you)更長的(de)(de)使用(yong)(yong)壽(shou)命(ming)，更有(you)效的(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)方法。

　　設計過程

　　1 充電原理

　　電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)特性唯一地決定其安全性能和充(chong)電(dian)(dian)(dian)的(de)效率(lv)。電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)最佳充(chong)電(dian)(dian)(dian)方法是由電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)化(hua)學成分決定的(de)（鋰離子、鎳氫、鎳鎘(ge)還是SLA電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)等）。盡管(guan)如(ru)此，大多數充(chong)電(dian)(dian)(dian)方案都包(bao)含下面的(de)三(san)個階段：

　　● 低電流調(diao)節階(jie)段

　　● 恒流階段

　　● 恒(heng)壓階段/充電終止(zhi)

　　所(suo)有電(dian)(dian)(dian)池(chi)都是通過向(xiang)自身傳輸(shu)電(dian)(dian)(dian)能(neng)的(de)方法進行充電(dian)(dian)(dian)的(de)，一(yi)(yi)節電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)最大充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流取決于電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)額定容量（C）例如，一(yi)(yi)節容量為(wei)(wei)1000mAh的(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)在充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流為(wei)(wei)1000mA時，可(ke)以充電(dian)(dian)(dian)1C（電(dian)(dian)(dian)池(chi)容量的(de)1倍）也可(ke)以用1/50C（20mA）或更低的(de)電(dian)(dian)(dian)流給電(dian)(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)(dian)。盡管(guan)如此，這只是一(yi)(yi)個普通的(de)低電(dian)(dian)(dian)流充電(dian)(dian)(dian)方式，不適用于要(yao)求短充電(dian)(dian)(dian)時間(jian)的(de)快速充電(dian)(dian)(dian)方案。

　　現在使用的大多數充電器在(zai)(zai)(zai)(zai)給電(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)(chong)電(dian)時都(dou)(dou)是(shi)既使用(yong)低(di)(di)電(dian)流(liu)充(chong)(chong)電(dian)方(fang)式又使用(yong)額(e)定(ding)(ding)充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)的(de)(de)(de)方(fang)法，即(ji)容(rong)積(ji)充(chong)(chong)電(dian)，低(di)(di)充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)通(tong)(tong)常(chang)(chang)使用(yong)在(zai)(zai)(zai)(zai)充(chong)(chong)電(dian)的(de)(de)(de)初始階段(duan)。在(zai)(zai)(zai)(zai)這一階段(duan)，需要將(jiang)會(hui)導致充(chong)(chong)電(dian)過程終止的(de)(de)(de)芯片初期的(de)(de)(de)自熱效應減小到最低(di)(di)程度，容(rong)積(ji)充(chong)(chong)電(dian)通(tong)(tong)常(chang)(chang)用(yong)在(zai)(zai)(zai)(zai)充(chong)(chong)電(dian)的(de)(de)(de)中級階段(duan)，電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)大(da)(da)(da)部(bu)分(fen)能量(liang)都(dou)(dou)是(shi)在(zai)(zai)(zai)(zai)這一階段(duan)存(cun)儲的(de)(de)(de)。在(zai)(zai)(zai)(zai)電(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)(chong)電(dian)的(de)(de)(de)最后階段(duan)，通(tong)(tong)常(chang)(chang)充(chong)(chong)電(dian)時間的(de)(de)(de)絕大(da)(da)(da)部(bu)分(fen)都(dou)(dou)是(shi)消(xiao)耗在(zai)(zai)(zai)(zai)這一階段(duan)，可以通(tong)(tong)過監測電(dian)流(liu)、電(dian)壓或(huo)兩者的(de)(de)(de)值來決定(ding)(ding)何時結束充(chong)(chong)電(dian)。同樣，結束方(fang)案依賴于電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)化學特性，例如：大(da)(da)(da)多數(shu)鋰離子電(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)(chong)電(dian)器都(dou)(dou)是(shi)將(jiang)電(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)壓保持在(zai)(zai)(zai)(zai)恒(heng)定(ding)(ding)值，同時檢(jian)測最低(di)(di)電(dian)流(liu)。鎳鎘(ge)、NiCd電(dian)池(chi)(chi)(chi)用(yong)電(dian)壓或(huo)溫度的(de)(de)(de)變化率來決定(ding)(ding)充(chong)(chong)電(dian)的(de)(de)(de)結束時間。

　　圖1 鋰離子電池充電模塊圖

　　充電(dian)(dian)時(shi)(shi)部分(fen)電(dian)(dian)能(neng)被轉換成熱能(neng)，直(zhi)至電(dian)(dian)池(chi)(chi)充滿(man)。而充滿(man)后，所有(you)的(de)電(dian)(dian)能(neng)將全(quan)部被轉換成熱能(neng)。如果此(ci)時(shi)(shi)不終(zhong)止充電(dian)(dian)，電(dian)(dian)池(chi)(chi)就會(hui)被損(sun)壞或燒毀。快(kuai)速(su)充電(dian)(dian)器(qi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)（完全(quan)充滿(man)的(de)時(shi)(shi)間小于兩小時(shi)(shi)的(de)充電(dian)(dian)器(qi)）則可以解決(jue)這(zhe)個(ge)問題(ti)，因為這(zhe)些充電(dian)(dian)器(qi)是使用高充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流來(lai)縮短充電(dian)(dian)時(shi)(shi)間的(de)。因此(ci)，對于鋰離子電(dian)(dian)池(chi)(chi)來(lai)說(shuo)，監測它的(de)溫度(du)是至關重(zhong)要的(de)，因為電(dian)(dian)池(chi)(chi)在(zai)過充電(dian)(dian)時(shi)(shi)會(hui)發生爆裂，在(zai)所有(you)的(de)充電(dian)(dian)階(jie)段都(dou)應該隨時(shi)(shi)監測溫度(du)的(de)變化(hua)，并且在(zai)溫度(du)超過最大設定值時(shi)(shi)立即停(ting)止充電(dian)(dian)。

　　2 總體設計

　　充電(dian)電(dian)路由(you)三部(bu)分(fen)：控制部(bu)分(fen)，檢(jian)測(ce)部(bu)分(fen)及充電(dian)部(bu)分(fen)組成。如圖1所示，采用F310單片機(ji)進行充電(dian)控制，單片機(ji)本身具(ju)(ju)有脈寬調制PWM型開關(guan)穩壓電(dian)源所需的全部(bu)功能(neng)，具(ju)(ju)有10位A/D轉換器。利用單片機(ji)A/D端(duan)口，構成電(dian)池電(dian)壓，電(dian)流(liu)，溫度檢(jian)測(ce)電(dian)路。

　　單片機(ji)通過電(dian)壓反饋(kui)和電(dian)流反饋(kui)信(xin)號，直接利用PWM輸出(chu)將(jiang)數字電(dian)壓信(xin)號并轉化成(cheng)模擬電(dian)壓信(xin)號，能夠保證控制精度。

　　3 控制(zhi)部(bu)分(fen)電路設(she)計

　　C8051F310單片機

　　①模擬外設

　　a.10位(wei)ADC：轉換速度可(ke)達(da)200ks/s,可(ke)多達(da)21或(huo)17個外(wai)部(bu)單(dan)端或(huo)差(cha)分輸入，VREF可(ke)在外(wai)部(bu)引(yin)腳(jiao)或(huo)VDD中選(xuan)擇，內置溫度傳(chuan)感器（±3℃），外(wai)部(bu)轉換啟動(dong)輸入；

　　b.兩個(ge)模擬(ni)比較器：可編程回差電壓和響(xiang)應時間，可配(pei)置為中斷(duan)或復位源(yuan)，小電流（〈0.5μA）。

　　②供電電壓

　　a.典型工作(zuo)電流：5mA、25MHz；

　　b.典型停機電流：0.1μA；

　　c.溫度范(fan)圍(wei)：-40～+85℃。

　　③高速8051微控制器內(nei)核

　　a.流水線指令結構：70%的(de)指令的(de)執行(xing)時間為一個或兩個系(xi)統時鐘周期；

　　b.速度可達25MI/s（時鐘頻率為25MHz時）；

　　c.擴(kuo)展的中斷系統。

　　④數字外設

　　a.29/25個端(duan)口I/O：所有的口線均耐5V電壓；

　　b.4個(ge)通用16位計數(shu)器/定時器；

　　c.16位可編程計(ji)數器(qi)/定時器(qi)陣列（PCA），有5個(ge)捕捉/比較(jiao)模塊；

　　d.使用PCA或定時器和外部(bu)時鐘(zhong)源(yuan)的實時時鐘(zhong)方(fang)式。

　　控制電(dian)路中如圖2所示，P0.3口(kou)(kou)(kou)提供(gong)充(chong)(chong)電(dian)電(dian)源(yuan)，P0.6口(kou)(kou)(kou)檢(jian)測(ce)充(chong)(chong)電(dian)電(dian)壓的大(da)小，P0.5口(kou)(kou)(kou)檢(jian)測(ce)充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流的大(da)小，P0.4口(kou)(kou)(kou)檢(jian)測(ce)電(dian)池的溫(wen)度。

　　充電(dian)電(dian)流由單片機脈寬調制PWM產(chan)生，充電(dian)電(dian)流由AD轉(zhuan)換再經過計算得(de)出。

　　4 充電(dian)部分(fen)(fen)及(ji)檢測部分(fen)(fen)電(dian)路設計

　　圖2 控制(zhi)電路接線(xian)圖

　　圖3 充電(dian)電(dian)路(lu)與檢測電(dian)路(lu)圖

　　圖3為(wei)充電(dian)電(dian)路與(yu)檢測電(dian)路圖。

　　①充電過程曲線

　　圖4 鋰電(dian)池充(chong)電(dian)曲線

　　如圖(tu)4所(suo)示，充(chong)電過程(cheng)由(you)預充(chong)狀態，恒流(liu)充(chong)電狀態和恒壓充(chong)電狀態組成。

　　②快速轉換器

　　實現漸弱終止充電器的(de)最經濟(ji)的(de)方法(fa)就是用一(yi)個(ge)快速(su)轉(zhuan)(zhuan)換器(qi)(qi)。快速(su)轉(zhuan)(zhuan)換器(qi)(qi)是用一(yi)個(ge)電(dian)感和/或(huo)(huo)一(yi)個(ge)變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)（需要隔離的(de)時(shi)候用變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)）作為能(neng)量存儲單元(yuan)以(yi)離散的(de)能(neng)量包的(de)形式將能(neng)量從輸入(ru)傳(chuan)輸至輸出的(de)開(kai)(kai)關調節(jie)器(qi)(qi)反饋(kui)電(dian)路，通過(guo)晶(jing)體(ti)管來調節(jie)能(neng)量的(de)傳(chuan)輸，同時(shi)也(ye)作為過(guo)濾開(kai)(kai)關，以(yi)確保電(dian)壓(ya)或(huo)(huo)電(dian)流在負載時(shi)保持恒(heng)定。

　　如圖a開關閉(bi)合

　　如圖(tu)b開關打開

　　快速(su)調節器的(de)(de)操(cao)作是通過控(kong)制一個晶(jing)體管(guan)開關的(de)(de)占空比來實現的(de)(de)。占空比會自動增(zeng)加以使電(dian)池流(liu)入更多的(de)(de)電(dian)流(liu)。當VBATT

　　③電感的確定

　　電(dian)(dian)感(gan)(gan)對(dui)(dui)交(jiao)流電(dian)(dian)是有(you)阻(zu)(zu)(zu)礙(ai)作用的。在交(jiao)流電(dian)(dian)頻率(lv)一定的情況(kuang)下，電(dian)(dian)感(gan)(gan)量越(yue)大，對(dui)(dui)交(jiao)流電(dian)(dian)的阻(zu)(zu)(zu)礙(ai)能(neng)力(li)越(yue)強(qiang)，電(dian)(dian)感(gan)(gan)量越(yue)小，其(qi)阻(zu)(zu)(zu)礙(ai)能(neng)力(li)越(yue)小。另外(wai)，在電(dian)(dian)感(gan)(gan)量一定的情況(kuang)下，交(jiao)流電(dian)(dian)的頻率(lv)越(yue)高(gao)，電(dian)(dian)感(gan)(gan)對(dui)(dui)交(jiao)流電(dian)(dian)的阻(zu)(zu)(zu)礙(ai)能(neng)力(li)越(yue)大，頻率(lv)越(yue)低(di)，電(dian)(dian)感(gan)(gan)對(dui)(dui)交(jiao)流電(dian)(dian)的阻(zu)(zu)(zu)礙(ai)能(neng)力(li)越(yue)小。也就是說，電(dian)(dian)感(gan)(gan)有(you)阻(zu)(zu)(zu)止交(jiao)流電(dian)(dian)通過的特性(xing)。

　　其工作(zuo)原理是這(zhe)樣的(de)(de)(de)：當負(fu)(fu)載兩端的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)要(yao)降(jiang)低(di)時(shi)，通(tong)過(guo)MOSFET場(chang)效(xiao)應(ying)(ying)管的(de)(de)(de)開(kai)關(guan)(guan)作(zuo)用，外部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感進行充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)并達(da)到所(suo)需(xu)的(de)(de)(de)額定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)。當負(fu)(fu)載兩端地(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)升高時(shi)，通(tong)過(guo)MOSFET場(chang)效(xiao)應(ying)(ying)管的(de)(de)(de)開(kai)關(guan)(guan)作(zuo)用，外部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)斷(duan)開(kai)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感釋放出剛才(cai)充入的(de)(de)(de)能量，這(zhe)時(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感就變成了(le)(le)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源繼(ji)續對(dui)負(fu)(fu)載供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。隨著電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感上存儲的(de)(de)(de)能量地(di)消耗。負(fu)(fu)載兩端的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)開(kai)始(shi)逐漸降(jiang)低(di)，外部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源通(tong)過(guo)MOSFET場(chang)效(xiao)應(ying)(ying)管的(de)(de)(de)開(kai)關(guan)(guan)作(zuo)用又要(yao)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。依次類推(tui)在不斷(duan)的(de)(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)中形成了(le)(le)一種(zhong)穩定(ding)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，永遠(yuan)使(shi)負(fu)(fu)載兩端地(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)不會升高也不會降(jiang)低(di)，這(zhe)就是開(kai)關(guan)(guan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)(de)最大(da)優勢(shi)。

　　要確(que)定快(kuai)速轉(zhuan)換(huan)(huan)器中電感的大小首先應假定晶體管的占(zhan)空比為50%，因為此時的轉(zhuan)換(huan)(huan)器操(cao)作操(cao)作效率最高。占(zhan)空比由方程式(shi)1給出：

　　（其中(zhong)(zhong)T是PWM的周期(qi)在程序示例中(zhong)(zhong)T=10.5s）

　　占空(kong)比=ton/T （1）

　　至此(ci)就可以選(xuan)擇一個(ge)PWM的轉(zhuan)(zhuan)換頻率（如方程(cheng)式2所示）PWM的轉(zhuan)(zhuan)換頻率越大，則電(dian)感的值越小，也越節約成本。

　　我的示例(li)代(dai)碼配置(zhi)F310的8位硬件PWM是使用內部24.5MHz主時(shi)鐘的256分頻(pin)來產(chan)生一個(ge)95.7kHz的轉(zhuan)換速率(lv)。

　　L=（Vi-Vsat-Voton）/2Iomax （2）

　　現在我(wo)們可以計算(suan)電(dian)(dian)(dian)感(gan)的大小(xiao)了，假定充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓Vi的值為(wei)15V，飽和電(dian)(dian)(dian)壓Vsat的值為(wei)0.5V，需要獲(huo)得的輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)壓值為(wei)4.2V,并且最大輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)流IＯMAX為(wei)1500mA，那(nei)么，電(dian)(dian)(dian)感(gan)的值至少應選為(wei)18H。

　　需要注意的(de)是(shi)：在本電路(lu)中的(de)電容(rong)僅僅是(shi)一個紋(wen)波衰減器，因為紋(wen)波與電容(rong)的(de)大小(xiao)成反比例關系，所以電容(rong)的(de)值(zhi)越大，衰減效果(guo)越好。