使用C8051F310器件設(shè)計(jì)鋰離子電池充電器

0 引言

C8051F310是一款完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片。它具有高速、流水線結(jié)構(gòu)且與8051兼容的CIP-51內(nèi)核，工作頻率可達(dá)25MIP-S，片內(nèi)有全速、非侵入式系統(tǒng)調(diào)試接口。此外，此單片機(jī)還帶有模擬多路器、真正的10位、200ksps的25通道單端/差分ADC。其片內(nèi)RAM為1280字節(jié)。C8051F310內(nèi)含4個(gè)通用的16位定時(shí)器、高精度可編程的25 MHz的內(nèi)部振蕩器振蕩器振蕩器是收發(fā)設(shè)備的基礎(chǔ)電路，它的作用是產(chǎn)生一定頻率的交流信號(hào)，是一種能量轉(zhuǎn)換裝置——將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能。

本文討論使用C8051F310器件設(shè)計(jì)鋰離子電池充電器。利用PWM脈寬調(diào)制產(chǎn)生可用軟件控制的充電電源，以適應(yīng)不同階段的充電電流的要求。溫度傳感器對(duì)電池溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換和相關(guān)計(jì)算檢測(cè)電池充電電壓和電流，以判斷電池到達(dá)哪個(gè)階段。使電池具有更長(zhǎng)的使用壽命。

設(shè)計(jì)過(guò)程

1 充電原理

電池的特性唯一地決定其安全性能和充電的效率。電池的最佳充電方法是由電池的化學(xué)成分決定的(鋰離子、鎳氫、鎳鎘還是SLA電池等)。盡管如此，大多數(shù)充電方案都包含下面的三個(gè)階段：

低電流調(diào)節(jié)階段

恒流階段

恒壓階段/充電終止

所有電池都是通過(guò)向自身傳輸電能的方法進(jìn)行充電的，一節(jié)電池的最大充電電流取決于電池的額定容量(C)例如，一節(jié)容量為1000mAh的電池在充電電流為1000mA時(shí)，可以充電1C(電池容量的1倍)也可以用1/50C(20mA)或更低的電流給電池充電。

現(xiàn)在使用的大多數(shù)充電器在給電池充電時(shí)都是既使用低電流充電方式又使用額定充電電流的方法，即容積充電，低充電電流通常使用在充電的初始階段。在這一階段，需要將會(huì)導(dǎo)致充電過(guò)程終止的芯片初期的自熱效應(yīng)減小到最低程度，容積充電通常用在充電的中級(jí)階段，電池的大部分能量都是在這一階段存儲(chǔ)的。

充電時(shí)部分電能被轉(zhuǎn)換成熱能，直至電池充滿。而充滿后，所有的電能將全部被轉(zhuǎn)換成熱能。如果此時(shí)不終止充電，電池就會(huì)被損壞或燒毀?？焖俪潆娖麟姵貏t可以解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@些充電器是使用高充電電流來(lái)縮短充電時(shí)間的。

2 總體設(shè)計(jì)

充電電路由三部分：控制部分，檢測(cè)部分及充電部分組成。

如圖1所示，采用F310單片機(jī)進(jìn)行充電控制，單片機(jī)本身具有脈寬調(diào)制PWM型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部功能，具有10位A/D轉(zhuǎn)換器。

利用單片機(jī)A/D端口，構(gòu)成電池電壓，電流，溫度檢測(cè)電路。

圖1 鋰離子電池充電模塊圖

單片機(jī)通過(guò)電壓反饋和電流反饋信號(hào)，直接利用PWM輸出將數(shù)字電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號(hào)，能夠保證控制精度。

3 控制部分電路設(shè)計(jì)

C8051F310單片機(jī)

①模擬外設(shè)

a.10位ADC：轉(zhuǎn)換速度可達(dá)200ks/s,可多達(dá)21或17個(gè)外部單端或差分輸入，VREF可在外部引腳或VDD中選擇，內(nèi)置溫度傳感器(±3℃)，外部轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入;

b.兩個(gè)模擬比較器：可編程回差電壓和響應(yīng)時(shí)間，可配置為中斷或復(fù)位源，小電流(〈0.5μA)。

②供電電壓

a.典型工作電流：5mA、25MHz;

b.典型停機(jī)電流：0.1μA;

c.溫度范圍：-40～+85℃。

③高速8051微控制器內(nèi)核

a.流水線指令結(jié)構(gòu)：70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期;

b.速度可達(dá)25MI/s(時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí));

c.擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)。

④數(shù)字外設(shè)

a.29/25個(gè)端口I/O：所有的口線均耐5V電壓;

b.4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器;

c.16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)，有5個(gè)捕捉/比較模塊;

d.使用PCA或定時(shí)器和外部時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘方式。

控制電路中如圖2所示，P0.3口提供充電電源，P0.6口檢測(cè)充電電壓的大小，P0.5口檢測(cè)充電電流的大小，P0.4口檢測(cè)電池的溫度。

圖2 控制電路接線圖[!--empirenews.page--]

充電電流由單片機(jī)脈寬調(diào)制PWM產(chǎn)生，充電電流由AD轉(zhuǎn)換再經(jīng)過(guò)計(jì)算得出。

4 充電部分及檢測(cè)部分電路設(shè)計(jì)

圖3為充電電路與檢測(cè)電路圖。

圖3 充電電路與檢測(cè)電路圖

①充電過(guò)程曲線

如圖4所示，充電過(guò)程由預(yù)充狀態(tài)，恒流充電狀態(tài)和恒壓充電狀態(tài)組成。

圖4 鋰電池充電曲線

②快速轉(zhuǎn)換器

實(shí)現(xiàn)漸弱終止充電器的最經(jīng)濟(jì)的方法就是用一個(gè)快速轉(zhuǎn)換器?？焖俎D(zhuǎn)換器是用一個(gè)電感和/或一個(gè)變壓器(需要隔離的時(shí)候用變壓器)作為能量存儲(chǔ)單元以離散的能量包的形式將能量從輸入傳輸至輸出的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器反饋電路，通過(guò)晶體管來(lái)調(diào)節(jié)能量的傳輸，同時(shí)也作為過(guò)濾開(kāi)關(guān)，以確保電壓或電流在負(fù)載時(shí)保持恒定。

快速調(diào)節(jié)器的操作是通過(guò)控制一個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。占空比會(huì)自動(dòng)增加以使電池流入更多的電流。當(dāng)VBATT

a 開(kāi)關(guān)閉合

b 開(kāi)關(guān)打開(kāi)

圖5 快速轉(zhuǎn)換器操作

③電感的確定

電感對(duì)交流電是有阻礙作用的。在交流電頻率一定的情況下，電感量越大，對(duì)交流電的阻礙能力越強(qiáng)，電感量越小，其阻礙能力越小。

其工作原理是這樣的：當(dāng)負(fù)載兩端的電壓要降低時(shí)，通過(guò)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)作用，外部電源對(duì)電感進(jìn)行充電并達(dá)到所需的額定電壓。當(dāng)負(fù)載兩端地電壓升高時(shí)，通過(guò)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)作用，外部電源供電斷開(kāi)，電感釋放出剛才充入的能量，這時(shí)電感就變成了電源繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電。隨著電感上存儲(chǔ)的能量地消耗。負(fù)載兩端的電壓開(kāi)始逐漸降低，外部電源通過(guò)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)作用又要充電。