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(jiao)高的(de)(de)(de)測量精度(du)，可很(hen)好(hao)的(de)(de)(de)控制充(chong)電電流的(de)(de)(de)大小，適時(shi)的(de)(de)(de)調整，并(bing)可根據充(chong)電的(de)(de)(de)狀態判斷充(chong)電的(de)(de)(de)時(shi)間，及時(shi)終止充(chong)電，以避免(mian)電池的(de)(de)(de)過充(chong)。

　　本文(wen)討論使用(yong)C8051F310器件設計鋰(li)離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器的。利用(yong)PWM脈(mo)寬調制(zhi)產(chan)生可(ke)用(yong)軟件控(kong)制(zhi)的充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)源，以(yi)適應不同階段(duan)的充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)的要求。溫(wen)度傳感器對電(dian)(dian)(dian)池(chi)溫(wen)度進行監測(ce)，并通過AD轉換和相關(guan)計算(suan)檢(jian)測(ce)電(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)(dian)流(liu)，以(yi)判斷電(dian)(dian)(dian)池(chi)到達哪個階段(duan)。使電(dian)(dian)(dian)池(chi)具有(you)更長的使用(yong)壽命(ming)，更有(you)效的充(chong)電(dian)(dian)(dian)方法。

　　設計過程

　　1 充電原理

　　電(dian)(dian)池的(de)特性唯一地(di)決(jue)定(ding)其安全性能和(he)充電(dian)(dian)的(de)效率。電(dian)(dian)池的(de)最佳充電(dian)(dian)方法是(shi)由電(dian)(dian)池的(de)化學成分(fen)決(jue)定(ding)的(de)（鋰離(li)子(zi)、鎳(nie)氫(qing)、鎳(nie)鎘還是(shi)SLA電(dian)(dian)池等）。盡管如此，大多數充電(dian)(dian)方案都包(bao)含(han)下(xia)面的(de)三個(ge)階段：

　　● 低電(dian)流調節階段(duan)

　　● 恒流階段

　　● 恒壓階段(duan)/充(chong)電終止

　　所有(you)電(dian)池(chi)都是通過向自身(shen)傳(chuan)輸電(dian)能的(de)(de)(de)方法進行(xing)充(chong)電(dian)的(de)(de)(de)，一(yi)節電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)最大充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)取(qu)決于電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)額定容量（C）例(li)如(ru)，一(yi)節容量為1000mAh的(de)(de)(de)電(dian)池(chi)在充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)為1000mA時，可以(yi)充(chong)電(dian)1C（電(dian)池(chi)容量的(de)(de)(de)1倍(bei)）也可以(yi)用1/50C（20mA）或更低的(de)(de)(de)電(dian)流(liu)給電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)。盡管如(ru)此，這只是一(yi)個普(pu)通的(de)(de)(de)低電(dian)流(liu)充(chong)電(dian)方式，不適(shi)用于要求(qiu)短充(chong)電(dian)時間的(de)(de)(de)快速充(chong)電(dian)方案。

　　現在使用的大多數充電器在給電(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)時都是既使用(yong)低電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)充(chong)電(dian)(dian)方(fang)式又(you)使用(yong)額定(ding)(ding)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)(de)方(fang)法，即(ji)容積充(chong)電(dian)(dian)，低充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)通(tong)常使用(yong)在充(chong)電(dian)(dian)的(de)(de)(de)初始階(jie)(jie)段(duan)。在這一階(jie)(jie)段(duan)，需要(yao)將會(hui)導致充(chong)電(dian)(dian)過(guo)程(cheng)終止的(de)(de)(de)芯片初期的(de)(de)(de)自熱效(xiao)應減小到最低程(cheng)度(du)，容積充(chong)電(dian)(dian)通(tong)常用(yong)在充(chong)電(dian)(dian)的(de)(de)(de)中級階(jie)(jie)段(duan)，電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)大部分能(neng)量都是在這一階(jie)(jie)段(duan)存儲(chu)的(de)(de)(de)。在電(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)的(de)(de)(de)最后階(jie)(jie)段(duan)，通(tong)常充(chong)電(dian)(dian)時間的(de)(de)(de)絕大部分都是消(xiao)耗(hao)在這一階(jie)(jie)段(duan)，可以通(tong)過(guo)監測(ce)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)、電(dian)(dian)壓或兩者的(de)(de)(de)值(zhi)來(lai)決定(ding)(ding)何時結束(shu)充(chong)電(dian)(dian)。同樣(yang)，結束(shu)方(fang)案(an)依賴于電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)化(hua)學特性，例如：大多數鋰離子(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)器都是將電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓保(bao)持在恒定(ding)(ding)值(zhi)，同時檢測(ce)最低電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)。鎳(nie)鎘(ge)、NiCd電(dian)(dian)池(chi)(chi)用(yong)電(dian)(dian)壓或溫度(du)的(de)(de)(de)變化(hua)率來(lai)決定(ding)(ding)充(chong)電(dian)(dian)的(de)(de)(de)結束(shu)時間。

　　圖1 鋰離子電池充電模塊圖

　　充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)時(shi)(shi)(shi)部(bu)分電(dian)能(neng)被(bei)轉換成熱(re)能(neng)，直至電(dian)池(chi)充(chong)(chong)(chong)(chong)滿(man)。而充(chong)(chong)(chong)(chong)滿(man)后，所(suo)(suo)有的(de)(de)(de)電(dian)能(neng)將全(quan)部(bu)被(bei)轉換成熱(re)能(neng)。如果此時(shi)(shi)(shi)不終止充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)，電(dian)池(chi)就會被(bei)損壞或燒毀。快(kuai)速充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)器(qi)電(dian)池(chi)（完(wan)全(quan)充(chong)(chong)(chong)(chong)滿(man)的(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)間小于兩小時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)器(qi)）則可以解決這個(ge)問題(ti)，因為(wei)這些充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)器(qi)是使用高(gao)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)電(dian)流來縮短充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)時(shi)(shi)(shi)間的(de)(de)(de)。因此，對(dui)于鋰離(li)子電(dian)池(chi)來說，監(jian)(jian)測它的(de)(de)(de)溫(wen)度是至關重要的(de)(de)(de)，因為(wei)電(dian)池(chi)在(zai)過(guo)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)時(shi)(shi)(shi)會發生爆裂，在(zai)所(suo)(suo)有的(de)(de)(de)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)階段都(dou)應該隨時(shi)(shi)(shi)監(jian)(jian)測溫(wen)度的(de)(de)(de)變化(hua)，并且在(zai)溫(wen)度超過(guo)最(zui)大(da)設(she)定(ding)值時(shi)(shi)(shi)立即停止充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)。

　　2 總體設計

　　充電(dian)電(dian)路(lu)由三部(bu)分(fen)(fen)：控制部(bu)分(fen)(fen)，檢(jian)測部(bu)分(fen)(fen)及充電(dian)部(bu)分(fen)(fen)組成(cheng)。如圖1所示，采用(yong)F310單(dan)片(pian)機(ji)進行充電(dian)控制，單(dan)片(pian)機(ji)本(ben)身具有(you)脈寬調制PWM型開(kai)關穩(wen)壓(ya)電(dian)源所需的(de)全(quan)部(bu)功(gong)能，具有(you)10位A/D轉換器。利用(yong)單(dan)片(pian)機(ji)A/D端口(kou)，構成(cheng)電(dian)池電(dian)壓(ya)，電(dian)流，溫度檢(jian)測電(dian)路(lu)。

　　單片機通(tong)過電(dian)壓反饋(kui)和(he)電(dian)流反饋(kui)信號(hao)，直接利用(yong)PWM輸(shu)出(chu)將數字電(dian)壓信號(hao)并轉化(hua)成模擬電(dian)壓信號(hao)，能夠保證控制精(jing)度(du)。

　　3 控制部分電路設(she)計

　　C8051F310單片機(ji)

　　①模擬外設

　　a.10位(wei)ADC：轉(zhuan)換(huan)速度可(ke)達200ks/s,可(ke)多達21或17個外部(bu)單(dan)端或差分(fen)輸入(ru)，VREF可(ke)在外部(bu)引腳或VDD中選擇，內置溫(wen)度傳感(gan)器（±3℃），外部(bu)轉(zhuan)換(huan)啟動輸入(ru)；

　　b.兩個(ge)模擬比較(jiao)器：可編程回差(cha)電壓和響應時間，可配置(zhi)為中斷(duan)或(huo)復位源(yuan)，小電流（〈0.5μA）。

　　②供電電壓

　　a.典型工作電(dian)流：5mA、25MHz；

　　b.典型停機電流：0.1μA；

　　c.溫度范圍：-40～+85℃。

　　③高(gao)速8051微控(kong)制器內核

　　a.流水線指令結(jie)構：70%的指令的執(zhi)行時(shi)間(jian)為一(yi)個或兩個系統時(shi)鐘周期；

　　b.速度可達25MI/s（時鐘頻率(lv)為25MHz時）；

　　c.擴展的中(zhong)斷系統。

　　④數字外設

　　a.29/25個(ge)端口(kou)I/O：所有(you)的(de)口(kou)線均耐5V電壓；

　　b.4個通用16位計數器(qi)/定時器(qi)；

　　c.16位(wei)可(ke)編程計(ji)數器(qi)/定(ding)時(shi)器(qi)陣列（PCA），有5個捕捉/比較(jiao)模塊；

　　d.使用PCA或定時(shi)器和外部時(shi)鐘(zhong)源(yuan)的實(shi)時(shi)時(shi)鐘(zhong)方式。

　　控(kong)制(zhi)電路(lu)中如圖(tu)2所示，P0.3口(kou)(kou)提供充(chong)電電源，P0.6口(kou)(kou)檢(jian)測充(chong)電電壓的(de)大小(xiao)，P0.5口(kou)(kou)檢(jian)測充(chong)電電流的(de)大小(xiao)，P0.4口(kou)(kou)檢(jian)測電池的(de)溫度。

　　充電電流由(you)單(dan)片機(ji)脈(mo)寬調(diao)制PWM產生(sheng)，充電電流由(you)AD轉換再經過(guo)計算得出。

　　4 充電部分及檢測部分電路設計

　　圖2 控制(zhi)電路接線(xian)圖

　　圖(tu)(tu)3 充電電路與檢(jian)測電路圖(tu)(tu)

　　圖3為充電電路與檢測電路圖。

　　①充電過程曲線

　　圖4 鋰電池充電曲線

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

　　②快速轉換器

　　實現漸弱終止充電器的(de)(de)最經濟的(de)(de)方(fang)法就是用(yong)一個快速轉換器(qi)。快速轉換器(qi)是用(yong)一個電(dian)感和/或(huo)(huo)一個變壓(ya)器(qi)（需要隔離的(de)(de)時(shi)候用(yong)變壓(ya)器(qi)）作為能(neng)量(liang)存(cun)儲單元以(yi)離散(san)的(de)(de)能(neng)量(liang)包的(de)(de)形式(shi)將能(neng)量(liang)從(cong)輸入(ru)傳輸至輸出的(de)(de)開關(guan)調(diao)節器(qi)反饋電(dian)路，通過晶體管(guan)來調(diao)節能(neng)量(liang)的(de)(de)傳輸，同時(shi)也作為過濾開關(guan)，以(yi)確保電(dian)壓(ya)或(huo)(huo)電(dian)流在負載(zai)時(shi)保持恒定。

　　如圖(tu)a開關閉合

　　如圖b開(kai)關打開(kai)

　　快(kuai)速調節器的操作是通過控制一個(ge)晶體管開關的占空比來實現的。占空比會自動增(zeng)加以使電(dian)池流入(ru)更(geng)多(duo)的電(dian)流。當VBATT

　　③電感的確定

　　電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)(gan)對交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)是有阻礙作用的(de)。在交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)頻率一(yi)定的(de)情況(kuang)下，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)(gan)量(liang)(liang)越(yue)大(da)，對交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)阻礙能(neng)力越(yue)強，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)(gan)量(liang)(liang)越(yue)小(xiao)，其(qi)阻礙能(neng)力越(yue)小(xiao)。另外(wai)，在電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)(gan)量(liang)(liang)一(yi)定的(de)情況(kuang)下，交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)頻率越(yue)高，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)(gan)對交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)阻礙能(neng)力越(yue)大(da)，頻率越(yue)低(di)，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)(gan)對交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)阻礙能(neng)力越(yue)小(xiao)。也(ye)就是說，電(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)(gan)(gan)(gan)有阻止交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)通過(guo)的(de)特性(xing)。

　　其工作原理是(shi)這(zhe)樣的(de)：當負(fu)載(zai)(zai)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)要降低時，通(tong)(tong)過MOSFET場(chang)效應(ying)管的(de)開(kai)(kai)關作用(yong)，外部電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感進行充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)并(bing)達到所(suo)需的(de)額定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。當負(fu)載(zai)(zai)兩(liang)端(duan)地(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)升高(gao)時，通(tong)(tong)過MOSFET場(chang)效應(ying)管的(de)開(kai)(kai)關作用(yong)，外部電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)斷開(kai)(kai)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感釋(shi)放出剛才充入的(de)能量，這(zhe)時電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感就(jiu)變成(cheng)了電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)繼(ji)續對(dui)負(fu)載(zai)(zai)供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。隨著電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感上存(cun)儲的(de)能量地(di)消(xiao)耗。負(fu)載(zai)(zai)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)開(kai)(kai)始逐漸降低，外部電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)通(tong)(tong)過MOSFET場(chang)效應(ying)管的(de)開(kai)(kai)關作用(yong)又要充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。依次類推在不(bu)(bu)斷的(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)過程中形成(cheng)了一種(zhong)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，永遠使負(fu)載(zai)(zai)兩(liang)端(duan)地(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)不(bu)(bu)會(hui)升高(gao)也不(bu)(bu)會(hui)降低，這(zhe)就(jiu)是(shi)開(kai)(kai)關電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)最大優勢。

　　要確定(ding)快速(su)轉換器中電感(gan)的大小首先應假定(ding)晶體(ti)管(guan)的占空比為50%，因為此時的轉換器操(cao)作(zuo)操(cao)作(zuo)效率最高。占空比由(you)方程式1給(gei)出：

　　（其中T是PWM的(de)周(zhou)期在程(cheng)序示例中T=10.5s）

　　占(zhan)空比=ton/T （1）

　　至此(ci)就(jiu)可(ke)以選擇(ze)一個(ge)PWM的(de)轉(zhuan)換(huan)(huan)頻(pin)(pin)率(lv)（如方程式2所示）PWM的(de)轉(zhuan)換(huan)(huan)頻(pin)(pin)率(lv)越大，則電感的(de)值(zhi)越小，也越節約成本。

　　我的(de)示例代碼配(pei)置F310的(de)8位(wei)硬件PWM是使用內部24.5MHz主時鐘的(de)256分頻來(lai)產生一(yi)個95.7kHz的(de)轉換(huan)速率。

　　L=（Vi-Vsat-Voton）/2Iomax （2）

　　現在我們可以計(ji)算電(dian)感(gan)的(de)大(da)小了(le)，假定(ding)充(chong)電(dian)電(dian)壓Vi的(de)值為15V，飽和電(dian)壓Vsat的(de)值為0.5V，需要(yao)獲得的(de)輸(shu)出電(dian)壓值為4.2V,并且最大(da)輸(shu)出電(dian)流IＯMAX為1500mA，那么，電(dian)感(gan)的(de)值至少應選為18H。

　　需要注意的(de)是：在(zai)本電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)容僅僅是一個紋波衰減器，因為紋波與電(dian)容的(de)大(da)小成反(fan)比例關(guan)系，所以電(dian)容的(de)值越大(da)，衰減效果越好。