基于MAX1898充电器设计doc.docx
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基于MAX1898充电器设计doc
摘要
充电器已经在我们的日常生活中普遍应用，随着移动设备的发展，可充电电池已经成为移动设备电源的必要器件，相配套的充电器和可对多种电池充电的充电器的市场需求量也逐渐上升。
本产品采用锂离子电池充电器ICMAX1898，通过AT89C51控制可以实现预充，快速充电，及恒压充电。
另外可以通过设置可以方便改变快速充电的电流和充电时间，还可以监控充电过程中的各个状态。
实现电路电路简单，成本较低，而且充电效果很好，包括安全性高，耗时短，对电池损坏小，满足一般用户的要求。
关键词：
MAX1898，AT89C51，预充电，快速充电，恒压充电。
Abstract
Chargershavebeenwidelyappliedinourdailylifeandwiththedevelopmentofmobiledevices,rechargeablebatterieshavebecomemobileequipmentnecessarycomponents,themarketdemandofthechargercorrespondingandchargingtovariousbatteryisrisinggradually.
Thisproductadoptsheintegrationcircuitofthelinearchargerforsingle-cellLi+battery-MAX1898,throughsinglechipAT89C51controlcanberealizedprecharging,fastcharging,andconstant-voltagecharging.Inaddition,MAX1898canbeeasilychangedchargingcurrentandchargingtimebysetting,stillcanmonitoreachstateofthechargingprocess.
Realizingcircuitsissimp,lowcost,andchargingeffectisverygood,includinghighsecurity,littletime-consuming,,satisfingordinaryusers'demand.
keywords：
MAX1898，AT89C51，precharging,fastcharging,constant-voltage
前言
电池是通过能量转化而获取的电能的器件，化学电源是通过氧化还原反应将化学能转化为电能。
电池可分为一次电池和二次电池，一次电池是一次性应用的电池，二次电池是可以反复使用的电池。
随着便携式设备的发展，无论从节约成本来说，还是从环境保护的角度来说，二次电池都比一次电池更有优势，因此二次电池的市场需求量也越来越大。
锂离子电池也是二次电池的一种。
锂离子电池自20世纪90年代上市以来，它以能量密度高，使用寿命长的特点倍受重视。
基于市场的要求，世界各大电池生产商为了在市场领域里取得优势，无不致力于开发具有能量密度高，小型化，薄型化，轻量化，安全性高，循环寿命长，低成本的新型电池。
对此，聚合物锂离子电池具有上述各项优点，是各厂商致力研究的目标。
聚合物锂离子电池基于安全、轻薄等特性，广泛应用于便携式设备，所以聚合物锂离子电池是21世纪移动设备最佳的电源解决方案。
与液体锂离子电池相比，聚合物锂离子具有较好的耐充放电特性，因此对外保护电路方面的要求可以适当放宽。
在充电方面，聚合物锂离子可以利用IC定电流的方式充电，实现起来也比较容易。
下面是锂离子电池，镉镍电池及镍氢电池的主要性能比较。
表一：
参数
电池种类
锂离子电池
镉镍电池
镍氢电池
单位重量能量密度（W-Hr/kg）
90
40
60
单位体积能量密度（W-Hr/L）
210
100
140
额定电压（V）
3.6
1.2
1.2
充电次数
1000
1000
800
自放电率（%/月）
6
15
20
综上所述，锂离子电池的发展，也带动锂离子电池充电器的发展。
所以锂离子电池充电器的市场需求量也随之上升。
我们所使用的锂离子电池LG383450，容量800mAh，安全性能好，外包装为铝塑包装，有别于液态锂电池的金属外壳，一旦发生安全隐患，不会爆炸，只会鼓胀；重量轻，比钢壳液锂轻40％，比铝壳液锂轻20％；容量大，越薄越有容量优势；内阻小，比常规电池内阻要小，使得有效放电容量要比其它电池高； 形状可定制，可根据客户的要求灵活定制电池的厚度、形状；放电平台高，聚合物锂电池采用胶态电解质，具有更平稳的放电特性和更高的放电平台；工作电压高；能量密度高；循环寿命长；无记忆效应，自放电小，无污染。
适用范围：
通讯设备（移动电话、网络电话、对讲机、蓝牙耳机），移动办公设备（笔记本计算机、PDA、便携式传真机、打印机），影像设备（数码相机、摄像机、移动DVD、移动电视、MP3、MP4），其它（手电筒、矿灯、玩具、航模）。
锂离子电池的充电要求有：
1 终止充电电压的允差为额定值的±1%,过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。
2 充电速率常用为0.5C—1C。
采用0.5C充电速率时，因充电过程中的电化学反应会产生热量，所以有一定的能量损失。
3 锂离子电池充电的温度范围为0℃—60℃，如果电流过大，会使温度过高。
不仅会损坏电池，而且可能引起爆炸。
4 锂离子电池的终止放电电压为2.5V，严重过放电可能造成锂离子电池失效。
对过放电的电池充电可以通过预处理进行补救，当锂离子电池电压大于2.5V，则按正常方式充电；若锂离子电池低于2.5V，则用小电流充电，充到2.5V后再按正常方式充电。
下面对电池基本参数进行简单的介绍。
1.额定电压：
额定电压是指电池正常工作时正极与负极之间的的电压，通常锂离子电池的额定电压为3.6V。
电池充满电时的电压与电池的阳极材料有关：
阳极材料为石墨时，电池电压为4.2V；阳极材料为焦炭，电池电压为4.1V。
通常锂离子电池的铭牌上标识的是加阳极材料的压降后的电压。
即通常是4.2V或4.1V。
2.电池容量：
电池容量是指电池存储电量的大小。
电池容量的单位是mAh，中文名称是毫安时（在衡量大容量电池如铅蓄电池时，为了方便起见，一般用Ah来表示，中文名是安时，1Ah=1000mAh）。
定义是以20小时为标准。
例如800mAh电池是指连续放电电流为40mA,放电完毕共耗时20小时。
另一种是以W/CELL计算,即单位极板消耗功率，定义是以15分钟为标准.例如1221W电池为每一CELL供电21W可供电15分钟。
3.充放电速率：
有时率和倍率两种表示法。
时率是以充放电时间表示的充放电速率，数值上等于电池的额定容量（安·小时）除以规定的充放电电流（安）所得的小时数。
倍率是充放电速率的另一种表示法，其数值为时率的倒数。
原电池的放电速率是以经某一固定电阻放电到终止电压的时间来表示。
单位为C。
放电速率对电池性能的影响较大。
一般地，对于每块电池厂家都有规定的充放电速率，充电速率过大，很可能造成过电流充电，使电池内部消耗较大的能量，产生热能，对电池不利；充电速率过小意味着充电时间较长。
4.充电速率，电池容量，充电时间及充电电流之间的关系：
以下电池容量是指电池铭牌上标识的容量，充电电流是连续的充电电流。
（0-1）
（0-2）
（0-3）
第一章充电集成电路
本产品采用锂离子电池充电器ICMAX1898，下面对MAX1898进行简单的介绍。
MAX1898和外部晶体管PNP或PMOS组成一个锂离子充电器，可精确地恒流/恒压充电，电池电压精度可达±0.75%。
MAX1898有两种型号，MAX1898EUB42应用于4.2V的锂离子电池，类似的MAX1898EUB41用于4.1V的锂离子电池。
一、功能介绍：
◆电压精度达±0.75%
◆充电电流可控
◆带自动输入电源监视器
◆内部检流电阻
◆LED充电状态指示器
◆可控的安全充电时间
◆电流大小监视输出
◆可选择的自动重启
二、引脚功能介绍：
表1-1：
引脚号
引脚名
功能
1
IN
电压输入端
2
漏极开路LED驱动。
1.没有电池，LED灭。
2.预充电，LED亮。
3.快速充电，LED亮。
4.充电完成，LED灭。
5.电池电压小于2.5V，但预充电时间（
=100nF,45min）结束。
LED1.5HZ闪烁。
3
EN/OK
1.输入：
高电平使能IC。
2.输出：
高电平表示输入电压接入正确
4
ISET
1.与电池充电电流成比例的模拟输出,。
2.通过设定ISET与GND之间的电阻可改变充电电流。
5
CT
安全充电时间控制口，电容10uF时，充电时间为3小时。
6
RSTRT
自动重启控制，如果电池降低电池规定的电压下0.2V，一个新的充电周期又开始。
接地后自动重启功能有效，充电完成时漏极电流为40uA。
如果悬空，充电时间耗尽，只能通过EN/OK来触发重启，充电完成时漏极电流为4uA。
7
BATT
电池输入端。
8
GND
地
9
DRV
外部晶体管驱动，该脚接外部PMOS/PNP的栅极/基极。
10
CS
充电电流输入端，接PMOS/PNP的源极/极电极。
三、详细描述：
MAX1898开始快充的条件如下，满足任何一个条件即可：
●外部电源连接上，电池电压大于2.5V。
●电池电压下降到重启电压，4.0V（MAX1898EUB42）或3.9V（MAX1898EUB42）。
●EN/OK先置低后置高，IC复位。
●预充电结束，电池电压达到2.5V。
电流设定：
MAX1898充电电流通过线性控制外部晶体管PMOS或PNP，最大的充电电流通过连接ISET与GND的外部电阻来设定，选择电阻通过如下公式：
（
单位是安培，
单位是欧姆）（1-1）
ISET可用来实时检测实际的充电电流。
ISET端有1mA输出的电流就表明充电电流为1A，ISET端的输出电压正比与充电电流。
（1-2）
在快速充电阶段通常ISET端的电压为1.4V，电池充满时将随着充电电流下降。
充电过程中电压、电流、功耗变化趋势图如下。
图1-1
状态输出：
是一个漏极开路输出，可以监视电池的充电状态。
有5mA的限定电流，因此LED可以直接连接在IN与
之间作为充电状态标志。
另外，可以通过上拉电阻（通常100kΩ）输出逻辑电平。
表二为
的状态与各充电状态的对应关系。
表1-2：
条件
没有电池接入或没有充电输入
高阻抗（LED灭）
预充电阶段电池电压小于2.5V，充电电流以快速充电电流的10%
低阻抗（LED亮）
快速充电阶段，电池电压大于2.5V
低阻抗（LED亮）
充电完成，充电电流下降到20%快速充电电流或者安全定时器
高阻抗（LED灭）
充电错误，充电电压小于2.5V而且预充电结束（45min，
=100uF）
LED1.5HZ、50%闪烁
充电周期重新开始：
当电池电压降到电池额定电压下0.2V时，配置MAX1898能够使充电周期自动重新开始（将RSTRT接GND），重启阈值可以通过在RSTRT与GND间接外部电阻来降低。
假如自动重启不需要，可以悬空RSTRT。
自动重启功能无效，充电只能通过清零在置高EN/OK来重新开始新的周期，或者先断开输入电源后重新接入电源。
EN/OK（EN输入，OK输出）：
EN/OK有两种功能，可以作为逻辑输入（高电平）使能充电。
除了开/关控制之外，EN/OK也可以反应出输入电源是否接入。
当输入电源接IN（
>
，
>4.25V）,EN/OK输出高电平3V，通过内部上拉100kΩ电阻。
因此EN/OK可以作为输出来反映AC适配器接入情况，同时通过漏极开路的驱动可以开/关充电。
假如IN没有电压或不足，EN/OK将保持低电平，充电将关闭。
电池漏极电流：
MAX1898采用CMOS电路检测电池状态，最小电流由电池自身提供。
当输入电压小于电池电压时，电池漏极电流通常为3uA。
当输入电源存在，充电完成时，漏极电流通常为40uA，不复位则电流可能降到4uA。
可选择最大充电时间：
最大充电时间可以通过外部电容设置，电容接在CT与GND之间，选择电容用如下公式：
（1-3）
最大充电定时就是安全定时，通常不是充电控制循环中的一部分。
以1C的充电速率对锂离子电池充电，通常充电时间将近1.5小时，但是根据温度的变化和电池类型的不同充电时间变化很大。
在大多数场合，用1C速率快速充电推荐3小时作为最大充电时间，以使正常充电不会被充电定时器中断。
要详细咨询电池厂商推荐的定时设定。
CT接GND，充电安全定时功能关闭，同样重启功能和预充电错误提示功能也关闭。
可控制的自动重启：
当电池电压降到预定水平下时，MAX1898就自动重启开始充电。
大多数定时充电器，一旦充电时间结束，就不能对随后的电池充电，充电将不能重新开始，除非充电器被外部信号触发。
当有充电电源、电池电压下降时自动重启充电，MAX1898可以保证用后电池不会部分带电.重启功能配置如下：
●悬空RSTRT重启功能关闭。
一旦充电完成，充电定时结束，充电只能通过在IN重新输入电源或触发EN/OK。
自动重启功能关闭，充电完成后电源漏极电流降到4uA，自动重启功能开启，则为40uA.
●RSTRT接地使能错误重启阈值（MAX1898EUB42为4V,MAX1898EUB41为3.9V），一旦充电完成，充电时间结束，电池电压下降到重启阈值电压时将重启充电。
●通过在RSTRT与GND之间连接电阻可以降低重启阈值电压。
对于MAX1898EUB42:
（
在3V和4V之间）（1-4）
对于MAX1898EUB41：
（
在3V和3.9V之间）（1-5）
四、应用电路：
图1-2
上图是用PMOS来作为外部连接晶体管。
图中LED接入IN和
之间作为充电状态指示器。
BATT与地之间必须接10uF旁路电容，使得锂离子电池平稳地充电。
在外部晶体管漏极/集电极和BATT正极之间接一个肖特基二极管，来避免输入电源短路时电池放电。
也可以用低功耗PNP来作为外部连接晶体管。
具体电路如下。
图1-3
五、充电过程解析：
图1-4
在开始充电阶段，MAX1898会检测接入电池是否大于锂离子电池终止放电电压2.5V，如果电压大于2.5V，则按正常快速充电，如果电压小于2.5V则充电电流按10%快速充电电流充电，直到电压达到2.5V，则再进入快速充电阶段,因为内部用一个比较器，将检测电压与2.5V作比较，并将结果作为逻辑控制器的输入。
此过程中预充电时间达到充电时间的1/4,电压还没有超过2.5V，则充电出错，LED以1.5HZ的频率和50%的占空比闪烁。
充电进入快速充电阶段后，随着电压的上升，充电电流也逐渐下降，当电流下降到设定快速充电电流的20%时，则快速充电阶段结束，进入恒压充电，等到设定充电时间，则停止充电。
如果结束充电后，电压下降到额定电压下的0.2V，且RSIRT接地（自动重启功能有效），则重新开始快速充电。
下图为充电过程中为标准化充电电流与电池电压的关系图，标准化电流是以快速充电电流为1，其它按占其比例计算。
可以看到快速充电阶段是以最大的恒定电流充电，快速充电结束后，电压基本维持在4.2V，可认为是恒压充电，电流越来越小直至充电结束。
图1-5
六、外部晶体管的选择：
MAX1898用一个外部晶体管驱动来控制充电电流。
晶体管（MOSFET或者三极管）的最重要的参数就是额定电流和功耗。
由于MAX1898为一个线性充电器，外部晶体管就会消耗热量。
功耗计算公式如下：
（1-6）
最不利的条件下功耗如下：
（1-7）
晶体管的额定功率必须是
，晶体管通常用P沟道的MOSFET。
用PNP作为外部晶体管，DRV电流可达4mA，因此必需要比较合适电流放大倍数来允许DRV驱动三极管的基极。
对于500mA的快速充电电流，放大倍数应为125.达林顿管PNP是不推荐使用的，由于稳定性限制。
这里我们以250mA作为充电电流，对于容量为800mAh的锂离子电池充电速率达0.31,按照公式（1-7）,可计算出用PNP作为外部晶体管，在最不利的条件下最大功耗为0.625W。
随着充电的进行，PNP的功耗将逐渐降低。
详细充电电压，充电电流及外部晶体管功耗随时间的变化请见图1-1。
S8550在常温下功耗可达0.625，最大集电极电流可达500mA，所以符合要求。
第二章基于AT89S51单片机控制MAX1898
本产品用于控制MAX1898的单片机我们选择的是AT89S51，电路原理简单，而且软件也比较容易。
控制对象为MAX1898，主要控制MAX1898使能，充电的安全时间，及充电完成和充电出错时的信号指示（LED）控制。
一、原理图及分析
图2-1
上图中D1用于充电指示，当D1亮时表示正在预充电或快速充电；D3用于指示接入电池极性是否有错，D3亮表示电池插反；D4用于指示充电进程，以1HZ频率，50%占空比闪烁表示正在充电中，充电结束D4一直点亮，提示用户电池已充满可以使用,充电错误时以4HZ的频率闪烁。
6N137光电耦合器由一个高发射强度的红外发光二极管和一个高速高增益的光敏检测集成电路组成。
6N137用于控制充电电源的接入与断开。
下图为6N137内部电气图。
图2-2
由于6N137输入正向电流为3mA，即可导通二极管，AT89S51输出低电压时的灌电流为3mA，输出为高电平时的拉电流为10uA，显然，CATHODE接地，控制ANODE不能驱动内部二极管，因此ANODE接VCC，控制CATHODE，可以控制内部二极管的导通。
通过PNP饱和导通即可实现，第7脚
是使能端，
接高电平时则使能输出，输出
与输入成反相；
接低电平时则禁止
输出，
输出恒为高电平。
6N137真值表如下：
图2-3
VCC与GND之间和
与GND之间应接一个滤波电容，以滤除高频干扰，输出电压波动。
上拉一个电阻可以增加
的输出电流。
通过一个非门接到单片机的外部中断口
，当外部中断发生后表示快速充电结束，充电进行恒压充电阶段，这时启动定时器开始计时，计时到达安全充电时间停止，这时恒压充电结束，AT89S51发出指令断开充电电源。
二、
程序流程及软件控制
1.初始化程序：
程序中需要定时用于控制安全充电时间结束时断开接入电源并发出充电完成信号，由于安全充电时间太长了，所以仅靠定时是不够的，因此需要多次循环。
我们先定时50ms，20个循环就是1s，再加一层循环，60个就是1min，安全充电时间用分钟计算就方便多了。
AT89C51用12MHZ晶振，一个机器周期就为1us,
50ms就是50000个机器周期。
本程序用T0定时/计数器，方式1——16位定时/计数器，最大计数值为
=65536。
现在我们要计数50000，则定时/计数寄存器的初值为65536-50000=15536，转化为十六进制位3CB0H，则TH0=3CH,TL0=B0H。
另外还用外部中断设置，我们采用下降沿触发。
具体初始化程序如下：
voidC51_init（）
{
ET0=1;//定时器0允许
EX0=1;//外部中断允许
IT0=1;//外部中断跳沿触发
TMOD=0x01;//T0设定方式1定时器
TL0=0xB0;
TH0=0x3C;//设定初值，定时50ms
TR0=0;//定时器关闭
EA=1;//使能中断
time=0;
second=0;
minute=0;
int0_count=0;//安全充电时间参数归零
}
2.主程序：
程序初始化之前，必须把所有状态归零，禁止MAX1898充电，电源不接入，发光二极管熄灭。
目的是保持定时与充电同步。
之后，调用初始化程序，对AT89C51进行初始化。
然后，接入充电电源，使能MAX1898，定时器启动开始定时。
等待安全充电时间结束，安全时间结束后，发出充电完成信号，如果有错误，发出错误信号。
主程序编写如下：
voidmain（）
{EN_OK=0;//禁止MAX1898充电
BP=1;//充电指示灯关闭
GATE=0;//D4熄灭，输入电压不接入，MAX1898不工作
C51_init（）;//初始化程序
GATE=1;//接入输入电压5V
EN_OK=1;//MAX1898使能
TR0=1;//定时开始
while（!
time_out）;//等待安全充电时间到
do{
if（int0_count==1）
{BP=0;//充电完成充电指示灯一直亮
}elseerror=1;//充电时间结束有错误发出错误信号
}while
（1）;
}
3.中断服务子程序：
外部中断0服务子程序主要用来累计外部中断的次数。
定时中断0服务子程序首先要给定时器重新赋初值，中断20次就是1s，中断1200次就是1min。
我们的锂离子电池采用0.3C充电，充电时间5h，360000次中断就充电完毕。
充电的过程中必须有一次外部中断，这次中断是快速充电结束充电电流下降到20%，如果充电完成没有这次中断，D4将以4HZ频率闪烁。
闪烁的频率控制也是通过定时中断0，通过判断标志位error来区分控制安全充电时间所用的定时中断。
具体程序如下：
voidcharging（void）interrupt0using0
{int0_count++;}//外部中断次数累计
voidtime0（void）interrupt1using1
{TL0=0xB0;
TH0=0x3C;//重置初值
time++;//定时中断次数累计
if（error==0&&time==20）
{time=0;//1s到中断次数清零
second++;//秒累计
BP=~BP;//充电进行中D4以1HZ频率闪烁
}
if（error==0&&second==60）
{second=0;//1min到秒清零
minute++;//分累计
}
if（error==0&&minute==300）
{minute=0;//安全充电时间到，分清零
time_out=1;//标志位置一
GATE=0;//断开接入充电电源
}
if（error==1&&time==5）
{time=0;BP=~BP;}//充电错误，D4以4HZ频率闪烁
}
三、实验数据及分析：
表2-1
时间（min）
参数
电池电压（V）
设定电阻端电压（V）
充电电流（mA）
晶体管功耗（W）
1
3.39
1.343
239.821
0.386
2
3.46
1.351
241.250
0.372
3
3.54
1.347
240.536
0.351
4
3.56
1.341
239.464
0.345
5
3.
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