智能快速充電器

1、智能快速充電器        摘要： 本文介紹了一種智能快速充電器的設(shè)計(jì)過程。該充電器基于 Motorola 公司的 MC68HC908SR12 單片機(jī)為控制核心，將 SR12 特有的模擬電路模塊、高精度 A/D 轉(zhuǎn)換 、 I 2 C 總線接口以及高速 PWM 等功能運(yùn)用到充電控制中，詳細(xì)講述了其硬件和軟件的設(shè)計(jì)過程， 并從元器件篩選 、 PCB 板繪制和軟件設(shè)計(jì)等方面介紹了該 充電器 抑制和防電磁干擾的措施。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換 I 2 C 總線 傳感器 電磁干擾 1 、引言   隨著便攜式

2、設(shè)備不斷小型化、輕量化和高性能化，作為其電源的二次電池的使用率日益提高。我單位于 1998 年在對 充電器市場 調(diào)研后，設(shè)計(jì)開發(fā)了 “ ZXG 99 型智能快速充電器”， 1999 年設(shè)計(jì)定型，同年投入生產(chǎn)，截止到 2001 年底，已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)了 5000 多部，取得了一定的社會效益和>' target=_blank>經(jīng)濟(jì)效益。今年又簽定了幾千部的生產(chǎn)合同，但是隨著產(chǎn)量的逐年增加，以及 二次電池市場的不斷變化，該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中的不足越來越明顯。主要有以下幾點(diǎn)： a “ ZXG 99 型智能快速充電器”的中央微處理器選擇的是 OTP 型 單片機(jī) ，不 具有片上 FLASH 存儲

3、器，程序固化后不能更改，這在產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)十分不便，而且隨著市場上 二次電池的充電特性不斷變化，設(shè)計(jì)人員要及時(shí)更改充電控制參數(shù)或開發(fā)新的充電算法，這樣對已出廠的產(chǎn)品只能更換新的 MCU ，增加了生產(chǎn)成本； b “ ZXG 99 型智能快速充電器”只能對 鎳鎘電池（ Nicd ） 和鎳氫電池（ NiMH ）充電，沒有涉及鋰離子電池，主要原因是當(dāng)時(shí)鋰離子電池的普及率低，價(jià)格高。但是鋰離子電池具有較高的能量重量比和能量體積比、無記憶效應(yīng)、可多次重復(fù)充電、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品向更小更輕的方向發(fā)展，使得選用單節(jié)鋰離子電池供電的產(chǎn)品越來越多，同時(shí)其價(jià)格也越來越低。今后二次電池的主流將是鋰離子

4、電池，作為一個(gè)完整的產(chǎn)品應(yīng)該將其納入到設(shè)計(jì)中； c 該 OTP 型單片機(jī) 的 A/D 采樣值只有 8 位，在對電池進(jìn)行 - V 檢測中精度不夠，不能對充電過程實(shí)行更精確的控制。 在開發(fā)新型智能充電器中，首要環(huán)節(jié)就是 中央微處理器 MCU 的選型?？紤]到既要增加產(chǎn)品的智能化和實(shí)用性 ，又要降低生產(chǎn)成本， 最終決定 選用 Motorola 公司新近推出的 MC68HC908SR12 作為 新型 智能快速充電器的 MCU ，這是因?yàn)?SR12 具有模擬電路模塊、高精度 A/D （ 10 位）、 I 2 C 總線接口以及高速 PWM 等功能，特別適合開發(fā)電池充電器和 SMBus 智能電池， 可極大的減

5、少片外其它元器件的開銷，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性。 2 、概述 2.1 、功能特性   以 MC68HC908SR12 單片機(jī)為控制核心；   根據(jù)二次電池的充電特性，軟件智能識別 鎳鎘電池（ Nicd ） 、鎳氫電池（ NiMH ） 和鋰離子電池（ Li+ ），選擇相應(yīng)的控制模塊和算法對其快速充電；   采用最高端電壓 V max 、最高溫度 T max 、最長充電時(shí)間 t max 、電壓負(fù)增長 - V 、溫度變化率 T/ t 等快速充電終止法；   能對 1 4 節(jié) 鎳鎘電池（ Nicd ） 、鎳氫電池（ NiMH ）

6、單獨(dú)或同時(shí)充電；   能對 1 2 節(jié) 鋰離子電池（ Li+ ）單獨(dú)或同時(shí)充電；   充電速率，每 0.1Ah 的充電時(shí)間 10min ；   對 鎳鎘電池（ Nicd ） 、鎳氫電池（ NiMH ）采用脈沖充電模式，消除記憶效應(yīng)；   對 鋰離子電池（ Li+ ）采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電模式；   使用具有 I 2 C 接口的高精度數(shù)字溫度傳感器 LM92 ，檢測電池溫度；   設(shè)有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)和過電流保護(hù)；   設(shè)有電池開路、短路、反接保護(hù)；   快速充電結(jié)束后自動轉(zhuǎn)入涓流充電模式。 2.2 、系統(tǒng)框圖 該

7、智能充電器 以 MC68HC908SR12 單片機(jī)為控制核心，主要包括電源電路、 恒流恒壓電路、溫度檢測電路、鍵盤響應(yīng)電路以及狀態(tài)顯示電路。圖 1 是其系統(tǒng)框圖。 3 、 硬件設(shè)計(jì) 3.1 、 電源電路 使用> > PWM （ Pulse Width Modulation ）和 MOSFET 、 BTS 、 IGBT 等電子器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。> 85 265V ）、體積小、重量輕、效率高。其缺點(diǎn)是有脈沖擾動干擾，設(shè)計(jì)電路板時(shí)采用同主控板隔離和添加屏蔽罩等措施，來抑制干擾。 3.2 、恒流恒壓電路 恒流恒壓電路是智能充電器的關(guān)鍵部分。圖 2 是其電路原理圖。恒流恒壓電路由 SR12

8、 單片機(jī)片內(nèi)模擬電路模塊和片外的 MOSFET 開關(guān)管、肖特基二極管、濾波電感、濾波電容等器件組成。模擬電路模塊是 SR12 的特有部件，圖 3 為它的結(jié)構(gòu)框圖。它由輸入多路開關(guān)、兩組 可程控放大器、片內(nèi)溫度傳感器、電流檢測電路等組成?？沙炭胤糯笃骺偡糯蟊稊?shù)為 1 256 。放大器的輸入可選擇為兩路模擬輸入腳（ ATD0 、 ATD1 ）、片內(nèi)溫度傳感器、模擬地輸入（ V SSAM ）。 ATD0 和 V SSAM 間可接一個(gè)電流檢測電阻，用于測量外部電流，它還連接至電流檢測電路，可在電流超過指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并輸出信號。 在充電開始前的預(yù)處理階段，根據(jù)不同的電池，軟件選擇相應(yīng)的充電算法，將通道

9、選擇控制字寫入 SR12 單片機(jī)的 AMCR 寄存器中，將兩級 可程控 運(yùn)算放大器的增益值寫入 AMGCR 寄存器中。 充電開始后，軟件定時(shí)采集采樣電阻 R sense 上的電壓值，經(jīng)過計(jì)算，設(shè)置 SR12 單片機(jī) PWM 的輸出參數(shù)。同時(shí)，電流檢測電路實(shí)時(shí)檢測充電電流，在電流超過指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并將 SR12 單片機(jī)的 PTC0/PWM0/CD 端口置為低電平， 及時(shí)關(guān)斷充電電流，實(shí)現(xiàn)恒流恒壓的充電控制。 設(shè)計(jì)中為了減小電流的脈動，降低輸出紋波，在體積和成本允許的情況下設(shè)計(jì)選用飽和電流比較大的電感，因?yàn)楫?dāng)磁芯接近飽和時(shí)損耗增大，會降低轉(zhuǎn)換效率。電感的飽和電流至少應(yīng)大于充電回路中的峰值電流。同

10、時(shí)，電感的直流電阻會消耗一定的功率，在體積和成本許可的情況下設(shè)計(jì)選用直流電阻盡量小的電感。另外對于低噪聲應(yīng)用，為降低電源的 EMI ，設(shè)計(jì)選用具有閉合磁芯的電感。 設(shè)計(jì)中選擇濾波電容的主要依據(jù)是系統(tǒng)對電源紋波的要求。濾波電容的等效串聯(lián)電阻（ ESR ）是造成輸出紋波的主要因素，而且也會影響到轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)選用低 ESR 的電容。陶瓷電容和鉭電解電容具有較低的 ESR ，也可選用低 ESR 的鋁電解電容，但應(yīng)盡量避免標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容。容量一般在 10 F 100 F ，對于較重的負(fù)載設(shè)計(jì)選取大一點(diǎn)的電容。較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。 在每次充電周期結(jié)束后，充電環(huán)路中可以觀察到振

11、蕩現(xiàn)象。這是由于電感中的能量全部釋放給負(fù)載后，在電感自身的寄生電容和引腳分布電容中還儲存有一定的能量，在這些能量的作用下，電容和電感構(gòu)成的諧振回路將發(fā)生振蕩，部分能量將以電磁波的形式向外輻射出去，造成對 SR12 單片 機(jī)和其它電路的干擾，在對噪聲敏感的設(shè)計(jì)應(yīng)用中必須對其加以抑制。在充電回路中接入肖特基二極管 D14 來抑制這種 EMI 。具體做法是，當(dāng)電感中的能量釋放完畢后，通過 D14 使諧振電路處于臨界阻尼或過阻尼狀態(tài)，將剩余能量消耗在 D14 上，減小電磁輻射，確保 SR12 單片 機(jī)正常工作。同時(shí)，肖特基二極管 D14 的另一重要作用是吸收電感的反向電動勢，保護(hù) MOSFET 開關(guān)管

12、 Q6 。 3.3 、溫度檢測電路 在快速充電過程中，電池的溫度會隨著充電容量的增加而上升，尤其在接近充電終止時(shí)，溫度變化率 T/ t 最大，該特性是判斷電池是否充滿的主要條件之一，因此，及時(shí)、快速和準(zhǔn)確地檢測電池的溫度變化是本電路的關(guān)鍵。 本設(shè)計(jì)選用集成電路溫度傳感器 LM92 檢測電池溫度，圖 4 為其電路原理圖。同時(shí)，利用 SR12 單片機(jī)的內(nèi)部溫度 傳感器概略監(jiān)測環(huán)境溫度，其測溫范圍 -20 70 。   圖 4 溫度檢測電路原理圖 以往的充電器均多使用熱敏電阻作為溫度傳感器，在本設(shè)計(jì)中為何舍棄，這是因?yàn)闊崦綦娮璧碾妷狠敵雠c溫度并非成線性比，在高溫時(shí)的電壓變化率比較小，不易分

13、辨，而且需依靠查表或加設(shè)電路才能得知輸出電壓與溫度的關(guān)系，其產(chǎn)品一致性差，在出廠前需要校正，增加成本。 集成電路溫度傳感器的參數(shù)輸出是與溫度成線性比，兩者之間的關(guān)系可以用公式來表達(dá)，故即使在較高的溫度范圍內(nèi)，集成電路溫度傳感器也具有很高的準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)中需要較少的芯片支持，有助于節(jié)省印刷電路板的板面空間，簡化部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品推向市場的時(shí)間。 LM92 是美國國家半導(dǎo)體公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器。其內(nèi)部的 12 位溫度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將被感應(yīng)溫度的模擬量轉(zhuǎn)換為 0.0625 量化間隔的數(shù)字量，常溫下精度可達(dá)± 0.33 ，并可與用戶設(shè)置的溫度點(diǎn)進(jìn)行比較。其片內(nèi)寄存器可以設(shè)置

14、高 / 低的溫度窗口門限及臨界溫度告警門限，當(dāng)溫度偏離設(shè)置門限時(shí)，漏級開路中斷 INT 及臨界溫度告警 T_CRIT_A 輸出有效信號。通過 I 2 C 總線接口可對該傳感器的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀 / 寫操作，最多可允許 4 片 LM92 掛接在同一條串行總線上。 MC68HC908SR12 單片機(jī)具有 I 2 C 接口控制模塊，使用通道 0 （ SDA0 和 SCL0 ），可十分方便地同 溫度傳感器 LM92 連接。圖 4 為溫度檢測電路原理圖。 LM92 采用 I 2 C 串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)同 MC68HC908SR12 單片機(jī) 的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中 LM92 為從器件，通過

15、數(shù)據(jù)輸入、輸出線 SDA 以及時(shí)鐘信號線 SCL 與總線相連。其傳輸時(shí)序如圖 5 所示。當(dāng) SCL 保持高電平時(shí)， SDA 從高電平到低電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始信號，隨后傳送 LM92 的地址信息和讀 / 寫控制位。地址信息的格式為：    根據(jù) A 1 A 0 的不同編碼，最多可允許 4 片 LM92 掛接在同一條串行總線上，分別對應(yīng)四節(jié)充電電池。讀 / 寫控制位為 1 表示對 LM92 進(jìn)行讀操作，為 0 表示進(jìn)行寫操作。每個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束，要收到接收數(shù)據(jù)一方的應(yīng)答信號（ ACK ）后方可開始下一步操作。最后，在 SCL 保持高電平的情況下， SDA 從低電平到高電平

16、的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束信號。   具體操作過程是： MC68HC908SR12 單片機(jī) 首先傳送開始信號，接著寫入芯片地址信息和讀 / 寫控制位，之后寫入要訪問的片內(nèi)寄存器地址，當(dāng)收到 LM92 的應(yīng)答信號（ ACK ）后，再次傳送開始信號，并寫入芯片地址信息和讀 / 寫控制位，當(dāng)收到 LM92 的應(yīng)答信號（ ACK ）后，可讀 / 寫被訪問寄存器的數(shù)據(jù)，最后傳送結(jié)束信號。  3.4 、鍵盤響應(yīng)電路 設(shè)計(jì)鍵盤響應(yīng)電路時(shí)，使用 MC68HC908SR12 單片機(jī) PORT D （ PTD6 和 PTD7 ）端口的鍵盤中斷功能（ KBI ）。根據(jù)實(shí)際情況，在 MC68HC90

17、8SR12 單片機(jī)的 鍵盤中斷使能寄存器 KBIER 中寫入相應(yīng)的值，寫入“ 1 ”表示中斷允許，寫入“ 0 ”表示不能中斷。鍵盤中斷允許的端口， MC68HC908SR12 單片機(jī)將對其內(nèi)部上拉 30k 的電阻，這樣鍵盤響應(yīng)電路的設(shè)計(jì)十分簡潔，要注意的是應(yīng)用軟件中要增加鍵盤消抖動子程序，防止誤操作。 3.5 、狀態(tài)顯示電路   同樣，狀態(tài)顯示電路的設(shè)計(jì)使用了 MC68HC908SR12 單片機(jī) PORT A （ PTA0 PTA5 ）端口的 LED 直接驅(qū)動功能。編程時(shí)首先設(shè)置 PORT A 的工作狀態(tài)，在 LED 控制 寄存器 LEDA 中寫入相應(yīng)的值，寫入“ 1 ”表示可直接驅(qū)

18、動 LED ，寫入“ 0 ”表示作為標(biāo)準(zhǔn) I/O 端口。在充電的每個(gè)階段均有狀態(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過高進(jìn)入溫控狀態(tài)、電池快充結(jié)束轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)等。 4 、軟件設(shè)計(jì)   本智能快速充電器的軟件設(shè)計(jì)思想是：各個(gè)功能組件實(shí)現(xiàn)模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。目的是使應(yīng)用軟件流程清晰，可讀性強(qiáng)，易于功能調(diào)試以及產(chǎn)品的維護(hù)和升級。 本軟件主要由初始化、預(yù)處理、快速充電和 涓流充電四個(gè)部分組成。 其流程如圖 6 所示。 4.1 、初始化 在程序的初始階段應(yīng)首先對 MC68HC908SR12 單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，包括設(shè)置 I/O 端口的輸入輸出狀態(tài)，設(shè)置 PLL 鎖

19、相環(huán)電路參數(shù)，設(shè)置 TIM 定時(shí)器參數(shù)等等。 4.2 、預(yù)處理    預(yù)處理階段是進(jìn)入快速充電前的準(zhǔn)備工作。    程序初始化后，首先利用 MC68HC908SR12 單片機(jī)的內(nèi)部溫度 傳感器檢測環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過低或過高時(shí)，均不能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電，否則將損傷電池。例如： 鋰離子電池（ Li+ ）的適宜充電溫度范圍在 2.5 50 之間。    然后，設(shè)置 A/D 轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗(yàn)值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時(shí)間的脈動電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物

20、質(zhì)，部分恢復(fù)受損的電池單元。對端電壓在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池選擇相應(yīng)的充電控制模塊和算法，對端電壓不在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池，軟件自動將其剔除。 4.3 、快速充電   按預(yù)定的充電控制模塊和算法設(shè)置 MC68HC908SR12 單片機(jī) PWM 的控制寄存器 PWMCR 、時(shí)鐘寄存器 PWMCCR 以及數(shù)據(jù)寄存器 PWMDR0 PWMDR2 ，打開中斷使能位，開始快速充電。    快速充電時(shí)， MC68HC908SR12 單片機(jī) 必須不斷檢測以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否達(dá)到規(guī)定的安全電壓、電池是否溫度過高、電池是否滿足 - V 或

21、T/ t 條件。   其中電池的斷路主要通過檢測采樣電阻 R sense 上的電流大小來判斷。而且為了避免誤判斷，應(yīng)該反復(fù)檢測。當(dāng)出現(xiàn)斷路時(shí)，應(yīng)重新返回預(yù)處理階段。斷路的判斷時(shí)機(jī)應(yīng)該在電池端電壓已經(jīng)達(dá)到預(yù)定值的情況下進(jìn)行，否則在電池端電壓沒有達(dá)到預(yù)定值的情況下，充電電流比較小，可能出現(xiàn)誤判斷。    均衡充電是本智能充電器的另一個(gè)重要特點(diǎn)。在充電的過程中，由于電池的質(zhì)量不相同，容量小、質(zhì)量差的電池端電壓在充入相同電量后會出現(xiàn)電壓增長比另一個(gè)電池多的情況，如果不采取措施，它們的電壓差將會增大，以至其中一個(gè)電池很快達(dá)到規(guī)定的安全電壓，充電過程也將被迫停止。此時(shí)應(yīng)該停充電壓高的電池，即均衡充電。這樣有利于恢復(fù)電池內(nèi)受損的單元，使充電過程能順利地進(jìn)行下去。    電池的端電壓檢測使用 MC68HC908SR12 單片機(jī)的片上 1