智能快速充電器硬件與軟件設計

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計過程。該充電器基于Motorola公司的MC68HC908SR12單片機為控制核心，將SR12特有的模擬電路模塊、高精度A/D轉換、I2C總線接口以及高速PWM等功能運用到充電控制中，詳細講述了其硬件和軟件的設計過程，并從元器件篩選、PCB板繪制和軟件設計等方面介紹了該充電器抑制和防電磁干擾的措施。關鍵詞：單片機A/D轉換I2C總線傳感器電磁干擾1、引言隨著便攜式設備不斷小型化、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研后，設計開發(fā)了“ZXG－99型智能快速充電器〞，1999年設計定型，同年投入生產(chǎn)，截止到2001年底，已經(jīng)累計生產(chǎn)了5000多部，取得了一定的社會效益和經(jīng)濟效益。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)品在設計中的缺乏越來越明顯。主要有以下幾點：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，不具有片上FLASH存儲器，程序固化后不能更改，這在產(chǎn)品批量生產(chǎn)時十分不便，而且隨著市場上二次電池的充電特性不斷變化，設計人員要及時更改充電控制參數(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)本錢；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，主要原因是當時鋰離子電池的普及率低，價格高。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、可屢次重復充電、使用壽命長等優(yōu)點，促進了便攜式產(chǎn)品向更小更輕的方向開展，使得選用單節(jié)鋰離子電池供電的產(chǎn)品越來越多，同時其價格也越來越低。今后二次電池的主流將是鋰離子電池，作為一個完整的產(chǎn)品應該將其納入到設計中；c．該OTP型單片機的A/D采樣值只有8位，在對電池進行-△V檢測中精度不夠，不能對充電過程實行更精確的控制。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)品的智能化和實用性，又要降低生產(chǎn)本錢，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，這是因為SR12具有模擬電路模塊、高精度A/D〔10位〕、I2C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，可極大的減少片外其它元器件的開銷，到達降低生產(chǎn)本錢的目的，同時也提高了產(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+〕，選擇相應的控制模塊和算法對其快速充電；?采用最高端電壓Vmax、最高溫度Tmax、最長充電時間tmax、電壓負增長-△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〔Nied〕、鎳氫電池〔NiMH〕單獨或同時充電；?能對1?2節(jié)鋰離子電池〔Li+〕單獨或同時充電；?充電速率，每0.1Ah的充電時間＜10min；對鎳鎘電池〔Nied〕、鎳氫電池〔NiMH〕采用脈沖充電模式，消除記憶效應；對鋰離子電池〔Li+〕采用恒流轉恒壓充電模式；使用具有I2C接口的高精度數(shù)字溫度傳感器LM92，檢測電池溫度；設有過充電保護、過放電保護和過電流保護；設有電池開路、短路、反接保護；快速充電結束后自動轉入涓流充電模式。2.2、系統(tǒng)框圖該智能充電器以MC68HC908SR12單片機為控制核心，主要包括電源電路、恒流恒壓電路、溫度檢測電路、鍵盤響應電路以及狀態(tài)顯示電路。圖1是其系統(tǒng)框圖。MC68HC908SR12罔1智能快速充電器系統(tǒng)框圖3、硬件設計3.1、電源電路使用開關電源作為充電器的供電設備。開關電源采用脈沖調制方式PWM〔PulseWidthModulation〕和MOSFET、盯S、IGBT等電子器件進行設計。開關電源集成化程度較高，具有調壓、限流、過熱保護等功能。同線性電源相比其輸入電壓范圍寬〔通?？蛇_交流85?265V〕、體積小、重量輕、效率高。其缺點是有脈沖擾動干擾，設計電路板時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鍵局部。圖2是其電路原理圖。恒流恒壓電路由SR12單片機片內模擬電路模塊和片外的MOSFET開關管、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為它的結構框圖。它由輸入多路開關、兩組可程控放大器、片內溫度傳感器、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〕、片內溫度傳感器、模擬地輸入〔VSSAM〕。ATD0和VSSAM間可接一個電流檢測電阻，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產(chǎn)生中斷并輸出信號。a2恒流恒圧電路原理圖在充電開始前的預處理階段，根據(jù)不同的電池，軟件選擇相應的充電算法，將通道選擇控制字寫入SR12單片機的AMCR存放器中，將兩級可程控運算放大器的增益值寫入AMGCR存放器中。充電開始后，軟件定時采集采樣電阻Rsense上的電壓值，經(jīng)過計算，設置SR12單片機PWM的輸出參數(shù)。同時，電流檢測電路實時檢測充電電流,在電流超過指定值時產(chǎn)生中斷并將SR12單片機的PTCO/PWMO/CD端口置為低電平，及時關斷充電電流，實現(xiàn)恒流恒壓的充電控制。00)this.style.width=500;"onmousewheel="returnbbimg(this)">"border=0>設計中為了減小電流的脈動，降低輸出紋波，在體積和本錢允許的情況下設計選用飽和電流比擬大的電感，因為當磁芯接近飽和時損耗增大，會降低轉換效率。電感的飽和電流至少應大于充電回路中的峰值電流。同時，電感的直流電阻會消耗一定的功率，在體積和本錢許可的情況下設計選用直流電阻盡量小的電感。另外對于低噪聲應用，為降低電源的EMI，設計選用具有閉合磁芯的電感。設計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，而且也會影響到轉換效率，設計選用低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，但應盡量防止標準鋁電解電容。容量一般在10MF?100pF，對于較重的負載設計選取大一點的電容。較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應。在每次充電周期結束后，充電環(huán)路中可以觀察到振蕩現(xiàn)象。這是由于電感中的能量全部釋放給負載后，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，電容和電感構成的諧振回路將發(fā)生振蕩，局部能量將以電磁波的形式向外輻射出去，造成對SR12單片機和其它電路的干擾，在對噪聲敏感的設計應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單片機正常工作。同時，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MOSFET開關管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,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、快速和準確地檢測電池的溫度變化是本電路的關鍵。本設計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,利用SR12單片機的內部溫度傳感器概略監(jiān)測環(huán)境溫度，其測溫范圍-20°C?70C。iVLLFUTAAJT丁AITTJC5LM9LIC7LW2GtfC[KT:十PUiVLLFUTAAJT丁AITTJC5LM9LIC7LW2GtfC[KT:十PUSb：!.12S^iril：＜「萬押誠亦飛料豊12Pin17KCso.y.CRITAJLlfUTFCBI.M92皿SCLTCHITAJL1rn-F.M9Z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，在本設計中為何舍棄，這是因為熱敏電阻的電壓輸出與溫度并非成線性比，在高溫時的電壓變化率比擬小，不易分辨，而且需依靠查表或加設電路才能得知輸出電壓與溫度的關系，其產(chǎn)品一致性差，在出廠前需要校正，增加本錢。集成電路溫度傳感器的參數(shù)輸出是與溫度成線性比，兩者之間的關系可以用公式來表達,故即使在較高的溫度范圍內，集成電路溫度傳感器也具有很高的準確度，設計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，簡化局部系統(tǒng)的設計，加快產(chǎn)品推向市場的時間。LM92是美國國家半導體公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器。其內部的12位溫度模數(shù)轉換器，可將被感應溫度的模擬量轉換為0.0625C量化間隔的數(shù)字量，常溫下精度可達土0.33C,并可與用戶設置的溫度點進行比擬。其片內存放器可以設置高/低的溫度窗口門限及臨界溫度告警門限，當溫度偏離設置門限時，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I2C總線接口可對該傳感器的內部存放器進行讀/寫操作，最多可允許4片LM92掛接在同一條串行總線上。MC68HC908SR12單片機具有I2C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I2C串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)同MC68HC908SR12單片機的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中LM92為從器件，通過數(shù)據(jù)輸入、輸出線SDA以及時鐘信號線SCL與總線相連。其傳輸時序如圖5所示。當SCL保持高電平時，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：10010A1AaR/W根據(jù)A1A0的不同編碼，最多可允許4片LM92掛接在同一條串行總線上，分別對應四節(jié)充電電池。讀/寫控制位為1表示對LM92進行讀操作，為0表示進行寫操作。每個字節(jié)傳送結束，要收到接收數(shù)據(jù)一方的應答信號〔ACK〕前方可開始下一步操作。最后，在SCL保持高電平的情況下，SDA從低電平到高電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y束信號。具體操作過程是：MC68HC908SR12單片機首先傳送開始信號，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存放器地址，當收到LM92的應答信號〔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，當收到LM92的應答信號〔ACK〕后，可讀/寫被訪問存放器的數(shù)據(jù)，最后傳送結束信號。TOC\o"1-5"\h\z込—uVkrvruwvruVuruwuvrkrWVi.1jj!zair.i■jdjrr—玄A.；=；；?5*"J；；；；；匚‘；；；；■'■；；?==■「匸■■_-?；A—uJ\J—1I———/kJUlJT\ji\[JinXzXn:i：j■?e口口譏/flii■匕,.r-ackT-177收幵始兀＞地址番存壽地韭-FLrJLrLrLrLrLrLrLrui-FLrJLrLrLrLrLrLrLruiLrLrLrLrLrLrLrLrLAArLrLrLrLrLrLrLjV'1NO蛍新

開始芯片地址圖5LM92與SR12單片機進行數(shù)據(jù)倍輸?shù)臅r序3.4、鍵盤響應電路設計鍵盤響應電路時，使用MC68HC908SR12單片機PORTD〔PTD6和PTD7〕端口的鍵盤中斷功能〔KBI〕。根據(jù)實際情況，在MC68HC908SR12單片機的鍵盤中斷使能存放器KBIER中寫入相應的值，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單片機將對其內部上拉30kQ的電阻,這樣鍵盤響應電路的設計十分簡潔，要注意的是應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)顯示電路的設計使用了MC68HC908SR12單片機PORTA〔PTA0?PTA5〕端口的LED直接驅動功能。編程時首先設置PORTA的工作狀態(tài)，在LED控制存放器LEDA中寫入相應的值，寫入“1〞表示可直接驅動LED，寫入“0〞表示作為標準I/O端口。在充電的每個階段均有狀態(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過高進入溫控狀態(tài)、電池快充結束轉入涓流充電狀態(tài)等。4、軟件設計本智能快速充電器的軟件設計思想是：各個功能組件實現(xiàn)模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。目的是使應用軟件流程清晰，可讀性強，易于功能調試以及產(chǎn)品的維護和升級。本軟件主要由初始化、預處理、快速充電和涓流充電四個局部組成。其流程如圖6所示。4.1、初始化在程序的初始階段應首先對MC68HC908SR12單片機進行初始化操作，包括設置I/O端口的輸入輸出狀態(tài)，設置PLL鎖相環(huán)電路參數(shù)，設置TIM定時器參數(shù)等等。4.2、預處理預處理階段是進入快速充電前的準備工作。程序初始化后，首先利用MC68HC908SR12單片機的內部溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過低或過高時，均不能夠對電池進行充電，否那么將損傷電池。例如：鋰離子電池〔Li+〕的適宜充電溫度范圍在2.5°C?50°C之間。然后，設置A/D轉換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗值比擬，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時間的脈動電流充電，這樣有利于激活電池內的化學反響物質，局部恢復受損的電池單元。對端電壓在標稱范圍內的電池選擇相應的充電控制模塊和算法，對端電壓不在標稱范圍內的電池，軟件自動將其剔除。4.3、快速充電按預定的充電控制模塊和算法設置MC68HC908SR12單片機PWM的控制存放器PWMCR、時鐘存放器PWMCCR以及數(shù)據(jù)存放器PWMDR0?PWMDR2，翻開中斷使能位，開始快速充電?？焖俪潆姇r，MC68HC908SR12單片機必須不斷檢測以下幾項關鍵技術指標：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否到達規(guī)定的平安電壓、電池是否溫度過高、電池是否滿足-△V或厶T/△t條件。其中電池的斷路主要通過檢測采樣電阻Rsense上的電流大小來判斷。而且為了防止誤判斷，應該反復檢測。當出現(xiàn)斷路時，應重新返回預處理階段。斷路的判斷時機應該在電池端電壓已經(jīng)到達預定值的情況下進行，否那么在電池端電壓沒有到達預定值的情況下，充電電流比擬小，可能出現(xiàn)誤判斷。均衡充電是本智能充電器的另一個重要特點。在充電的過程中，由于電池的質量不相同，容量小、質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，以至其中一個電池很快到達規(guī)定的平安電壓，充電過程也將被迫停止。此時應該停充電壓高的電池，即均衡充電。這樣有利于恢復電池內受損的單元，使充電過程能順利地進行下去。電池的端電壓檢測使用MC68HC908SR12單片機的片上10位高精度A/D模塊，采用中斷控制方式，這樣可節(jié)省MC68HC908SR12單片機在A/D轉換期間的等待時間。端電壓檢測的數(shù)據(jù)，通過充電算法計算電池的電壓負增長-△V是否滿足快速充電終止條件，時實修改MC68HC908SR12單片機PWM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。電池的溫度檢測在端電壓檢測之后進行。MC68HC908SR12單片機通過設置不同的地址編碼〔A1A0〕，訪問相應的數(shù)字溫度傳感器LM92，讀取溫度數(shù)據(jù)，通過充電算法計算電池的溫度變化率