《智能快速充电器的设计过程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能快速充电器的设计过程（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、智能快速充电器的设计过程摘要：本文介绍了一种智能快速充电器的设计过程。该充电器基于 Motorola 公司的MC68HC908SR12 单片机为控制核心，将 SR12 特有的模拟电路模块、高精度 A/D 转换、I2C 总线接口以及高速 PWM 等功能运用到充电控制中，详细讲述了其硬件和软件的设计过程，并从元器件筛选、PCB 板绘制和软件设计等方面介绍了该充电器抑制和防电磁干扰的措施。关键词：单片机 A/D 转换 I2C 总线 传感器 电磁干扰1 、引言随着便携式设备不断小型化、轻量化和高性能化，作为其电源的二次电池的使用率日益提高。我单位于 1998 年在对充电器市场调研后，设计开发了“ZXG
2、 99 型智能快速充电器”，1999 年设计定型，同年投入生产，截止到 2001 年底，已经累计生产了 5000 多部，取得了一定的社会效益和经济效益。今年又签定了几千部的生产合同，但是随着产量的逐年增加，以及二次电池市场的不断变化，该产品在设计中的不足越来越明显。主要有以下几点：a “ZXG 99 型智能快速充电器”的中央微处理器选择的是 OTP 型单片机，不具有片上 FLASH 存储器，程序固化后不能更改，这在产品批量生产时十分不便，而且随着市场上二次电池的充电特性不断变化，设计人员要及时更改充电控制参数或开发新的充电算法，这样对已出厂的产品只能更换新的 MCU ，增加了生产成本；b “Z
3、XG 99 型智能快速充电器”只能对镍镉电池（Nicd ）和镍氢电池（NiMH ）充电，没有涉及锂离子电池，主要原因是当时锂离子电池的普及率低，价格高。但是锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比、无记忆效应、可多次重复充电、使用寿命长等优点，促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂离子电池供电的产品越来越多，同时其价格也越来越低。今后二次电池的主流将是锂离子电池，作为一个完整的产品应该将其纳入到设计中；c 该 OTP 型单片机的 A/D 采样值只有 8 位，在对电池进行-V 检测中精度不够，不能对充电过程实行更精确的控制。在开发新型智能充电器中，首要环节就是中央微处理器 MCU
4、 的选型。考虑到既要增加产品的智能化和实用性，又要降低生产成本，最终决定选用 Motorola 公司新近推出的 MC68HC908SR12 作为新型智能快速充电器的 MCU ，这是因为 SR12 具有模拟电路模块、高精度 A/D （10 位）、I2C 总线接口以及高速 PWM 等功能，特别适合开发电池充电器和 SMBus 智能电池，可极大的减少片外其它元器件的开销，达到降低生产成本的目的，同时也提高了产品的一致性和可靠性。2 、概述2.1 、功能特性a. 以 MC68HC908SR12 单片机为控制核心；b. 根据二次电池的充电特性，软件智能识别镍镉电池（Nicd ）、镍氢电池（NiMH ）和
5、锂离子电池（Li+），选择相应的控制模块和算法对其快速充电；c. 采用最高端电压 Vmax 、最高温度 Tmax 、最长充电时间 tmax 、电压负增长-V 、温度变化率T/t 等快速充电终止法；d. 能对 1 4 节镍镉电池（Nicd ）、镍氢电池（NiMH ）单独或同时充电；e. 能对 1 2 节锂离子电池（Li+）单独或同时充电；f. 充电速率，每 0.1Ah 的充电时间 10min ；g. 对镍镉电池（Nicd ）、镍氢电池（NiMH ）采用脉冲充电模式，消除记忆效应；h. 对锂离子电池（Li+）采用恒流转恒压充电模式；i. 使用具有 I2C 接口的高精度数字温度传感器 LM92 ，检
6、测电池温度；j. 设有过充电保护、过放电保护和过电流保护；k. 设有电池开路、短路、反接保护；l. 快速充电结束后自动转入涓流充电模式。2.2 、系统框图该智能充电器以 MC68HC908SR12 单片机为控制核心，主要包括电源电路、恒流恒压电路、温度检测电路、键盘响应电路以及状态显示电路。图 1 是其系统框图。图 1 智能快速充电器系统框图3 、硬件设计3.1 、电源电路使用开关电源作为充电器的供电设备。开关电源采用脉冲调制方式 PWM （Pulse Width Modulation ）和 MOSFET 、BTS 、IGBT 等电子器件进行设计。开关电源集成化程度较高，具有调压、限流、过热保
7、护等功能。同线性电源相比其输入电压范围宽（通常可达交流 85 265V ）、体积小、重量轻、效率高。其缺点是有脉冲扰动干扰，设计电路板时采用同主控板隔离和添加屏蔽罩等措施，来抑制干扰。3.2 、恒流恒压电路恒流恒压电路是智能充电器的关键部分。图 2 是其电路原理图。恒流恒压电路由 SR12 单片机片内模拟电路模块和片外的 MOSFET 开关管、肖特基二极管、滤波电感、滤波电容等器件组成。模拟电路模块是 SR12 的特有部件，图 3 为它的结构框图。它由输入多路开关、两组可程控放大器、片内温度传感器、电流检测电路等组成。可程控放大器总放大倍数为 1 256 。放大器的输入可选择为两路模拟输入脚（
8、ATD0 、ATD1 ）、片内温度传感器、模拟地输入（VSSAM ）。ATD0 和 VSSAM 间可接一个电流检测电阻，用于测量外部电流，它还连接至电流检测电路，可在电流超过指定值时产生中断并输出信号。图 2 恒流恒压电路原理图在充电开始前的预处理阶段，根据不同的电池，软件选择相应的充电算法，将通道选择控制字写入SR12 单片机的 AMCR 寄存器中，将两级可程控运算放大器的增益值写入 AMGCR 寄存器中。充电开始后，软件定时采集采样电阻 Rsense 上的电压值，经过计算，设置 SR12 单片机 PWM 的输出参数。同时，电流检测电路实时检测充电电流，在电流超过指定值时产生中断并将 SR1
9、2 单片机的 PTC0/PWM0/CD 端口置为低电平，及时关断充电电流，实现恒流恒压的充电控制。图 3 MC68HC908SR12 片内模拟电路结构框图设计中为了减小电流的脉动，降低输出纹波，在体积和成本允许的情况下设计选用饱和电流比较大的电感，因为当磁芯接近饱和时损耗增大，会降低转换效率。电感的饱和电流至少应大于充电回路中的峰值电流。同时，电感的直流电阻会消耗一定的功率，在体积和成本许可的情况下设计选用直流电阻尽量小的电感。另外对于低噪声应用，为降低电源的 EMI，设计选用具有闭合磁芯的电感。设计中选择滤波电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。滤波电容的等效串联电阻（ESR ）是造成输出纹
10、波的主要因素，而且也会影响到转换效率，设计选用低 ESR 的电容。陶瓷电容和钽电解电容具有较低的 ESR ，也可选用低 ESR 的铝电解电容，但应尽量避免标准铝电解电容。容量一般在 10 F 100 F ，对于较重的负载设计选取大一点的电容。较大容量的滤波电容有利于改善输出纹波和瞬态响应。在每次充电周期结束后，充电环路中可以观察到振荡现象。这是由于电感中的能量全部释放给负载后，在电感自身的寄生电容和引脚分布电容中还储存有一定的能量，在这些能量的作用下，电容和电感构成的谐振回路将发生振荡，部分能量将以电磁波的形式向外辐射出去，造成对 SR12 单片机和其它电路的干扰，在对噪声敏感的设计应用中必须
11、对其加以抑制。在充电回路中接入肖特基二极管 D14 来抑制这种 EMI 。具体做法是，当电感中的能量释放完毕后，通过 D14 使谐振电路处于临界阻尼或过阻尼状态，将剩余能量消耗在 D14 上，减小电磁辐射，确保 SR12 单片机正常工作。同时，肖特基二极管 D14 的另一重要作用是吸收电感的反向电动势，保护 MOSFET 开关管 Q6 。3.3 、温度检测电路在快速充电过程中，电池的温度会随着充电容量的增加而上升，尤其在接近充电终止时，温度变化率T/t 最大，该特性是判断电池是否充满的主要条件之一，因此，及时、快速和准确地检测电池的温度变化是本电路的关键。本设计选用集成电路温度传感器 LM92
12、 检测电池温度，图 4 为其电路原理图。同时，利用 SR12 单片机的内部温度传感器概略监测环境温度，其测温范围-20 70 。图 4 温度检测电路原理图以往的充电器均多使用热敏电阻作为温度传感器，在本设计中为何舍弃，这是因为热敏电阻的电压输出与温度并非成线性比，在高温时的电压变化率比较小，不易分辨，而且需依靠查表或加设电路才能得知输出电压与温度的关系，其产品一致性差，在出厂前需要校正，增加成本。集成电路温度传感器的参数输出是与温度成线性比，两者之间的关系可以用公式来表达，故即使在较高的温度范围内，集成电路温度传感器也具有很高的准确度，设计中需要较少的芯片支持，有助于节省印刷电路板的板面空间，
13、简化部分系统的设计，加快产品推向市场的时间。LM92 是美国国家半导体公司出品的单片高精度数字温度传感器。其内部的 12 位温度模数转换器，可将被感应温度的模拟量转换为 0.0625 量化间隔的数字量，常温下精度可达0.33 ，并可与用户设置的温度点进行比较。其片内寄存器可以设置高/低的温度窗口门限及临界温度告警门限，当温度偏离设置门限时，漏级开路中断 INT 及临界温度告警 T_CRIT_A 输出有效信号。通过 I2C 总线接口可对该传感器的内部寄存器进行读/写操作，最多可允许 4 片 LM92 挂接在同一条串行总线上。MC68HC908SR12 单片机具有 I2C 接口控制模块，使用通道
14、0 （SDA0 和 SCL0 ），可十分方便地同温度传感器 LM92 连接。图 4 为温度检测电路原理图。LM92 采用 I2C 串行总线和数据传输协议实现同 MC68HC908SR12 单片机的数据传输。在数据传输的过程中 LM92 为从器件，通过数据输入、输出线 SDA 以及时钟信号线 SCL 与总线相连。其传输时序如图 5 所示。当 SCL 保持高电平时，SDA 从高电平到低电平的跳变作为数据传输的开始信号，随后传送 LM92 的地址信息和读/写控制位。地址信息的格式为：根据 A1A0 的不同编码，最多可允许 4 片 LM92 挂接在同一条串行总线上，分别对应四节充电电池。读/写控制位为
15、 1 表示对 LM92 进行读操作，为 0 表示进行写操作。每个字节传送结束，要收到接收数据一方的应答信号（ACK ）后方可开始下一步操作。最后，在 SCL 保持高电平的情况下，SDA 从低电平到高电平的跳变作为数据传输的结束信号。具体操作过程是：MC68HC908SR12 单片机首先传送开始信号，接着写入芯片地址信息和读/写控制位，之后写入要访问的片内寄存器地址，当收到 LM92 的应答信号（ACK ）后，再次传送开始信号，并写入芯片地址信息和读/写控制位，当收到 LM92 的应答信号（ACK ）后，可读/写被访问寄存器的数据，最后传送结束信号。图 5 LM92 与 SR12 单片机进行数据
16、传输的时序3.4 、键盘响应电路设计键盘响应电路时，使用 MC68HC908SR12 单片机 PORT D （PTD6 和 PTD7 ）端口的键盘中断功能（KBI ）。根据实际情况，在 MC68HC908SR12 单片机的键盘中断使能寄存器 KBIER 中写入相应的值，写入“1 ”表示中断允许，写入“0 ”表示不能中断。键盘中断允许的端口，MC68HC908SR12 单片机将对其内部上拉 30k 的电阻，这样键盘响应电路的设计十分简洁，要注意的是应用软件中要增加键盘消抖动子程序，防止误操作。3.5 、状态显示电路同样，状态显示电路的设计使用了 MC68HC908SR12 单片机 PORT A （PTA0 PTA5 ）端口的LED 直接驱动功能。编程时首先设置 PORT A 的工作状态，在 LED 控制寄存器 LEDA 中写入相应的值，写入“1 ”表示可直接驱动 LED ，写入“0 ”表示作为标准 I/O 端口。在充电的每个阶段均有状态显示，如：电池处于正在充电状态、电池因温度过高进入温控状态、电池快充结束转入涓流充电状态
