锂电池充电芯片测试电路设计.docx
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锂电池充电芯片测试电路设计
本科毕业设计
（2011届）
题目
锂电池充电芯片测试电路设计
学院
电子信息学院
专业
电子科学与技术
班级
07******班
学号
学生姓名
俞*
指导教师
完成日期
2011年5月
诚信承诺
我谨在此承诺：
本人所写的毕业论文《锂电池充电芯片测试电路设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人（签名）：
年月日
摘要
锂电池由于其高电压、高容量、安全性好等优点在各种行业运用广泛。
但相对而言锂电池对充电器要求则相对较高，需要充电管理芯片对整个充电过程控制，以实现安全快速的充电过程。
本文在对充电芯片进行深入分析的基础上，提出了基于单片机的能够测试充电芯片质量好坏的测试电路设计方案。
本课题以研究通过AD模数转换器采集到充电电路的各路测试数据，传送到单片机进行数据分析判断，并将结果显示在LCD液晶显示器上。
实验证明，该测试系统能够快速有效的判断出充电芯片质量的好坏。
具有操作方便、运行稳定和成品价格低廉等优点。
关键词：
锂电池；单片机；充电芯片；AD转换器；LCD液晶显示器
ABSTRACT
Lithiumbatteriesarewidelyusedinvariousindustriesowingtotheiradvantages,suchashighvoltage,highcapacityandsafety.Butrelatively,lithiumbatterieshavehigherrequirementsforcharger,whichneedchargingmanagementcontrolchiptocontrolallthechargingprocess,inordertoachievesafeandfastcharging.Basedonathoroughanalysisofchargingchip,thisthesisputsforwardadesignproposal，theonethatisbasedonmicrocontrollercantestthequalityofchargechip.
Thisprojectaimsatcollectingallcircuits’testdatafromchargingcircuitsthroughADconverter,thentransitingthedatatomicrocontrollerforanalysis,andtheresultwillbeshownontheLCDmonitor.Theexperimentshowsthatthetestsystemcanestimatethequalityofchargechip.Thesystemhastheadvantagesofeasy，reliableoperationandlowcost.
Keywords：
LithiumBattery；Microcomputer；ChargingChip；ADConverter；LCD
1引言
电子信息时代对移动电源的需求快速增长。
锂离子电池具有高电压、高容量的优点,且使用寿命长、安全性能好,在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等领域具有广阔的应用前景,成为近几年关注的热点。
然而,锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻。
充电管理芯片是对充电过程进行管理。
以合适的电流给电池充电，一般会经过涓流充电，恒流充电，恒压充电三个阶段。
以确保锂电池能够安全快速的完成充电过程。
集成电路芯片的出现与发展，给人类进入信息时代提供了源动力。
在日新月异的信息时代，集成电路芯片正被广泛的运用到工作、生活和生产中。
随着集成芯片的大量生产，芯片测试仪的出现是必然的。
单片机在控制显示芯片测试成果方面有着突出的功效，单片机的应用正在不断地走向深入，同时也带动传统的控制、检测等工作日益更新。
现在市场上的测试仪器都是价格昂贵，对于一般的电子爱好者和各大院校的学生来说，这是一个不能承受的价格。
运用单片机控制，分析AD转换采集到的数据，判断芯片好坏。
设计这样的一款小型测试仪，不仅成本低，而且便于批量推广使用。
所以一款价廉物美的充电芯片测试仪的市场前景是十分可观的。
2概述
2.1锂电池充电芯片测试系统概述
当今社会科学技术的发展与日俱增，人们生活水平也是日益提高，各种家用电器、电子器件对充电锂电池的运用越来越多。
各种锂电池充电管理芯片充斥整个市场。
针对这种情况，设计出一种锂电池充电管理芯片测试电路是必需的，这种芯片测试电路可以极有效的判断出充电管理芯片的质量好坏。
电池寿命无疑是目前许多便携式电子产品中最重要的特性。
虽然许多便携式电子行业已经广泛采用锂离子电池，因为这种电池具有容量大、尺寸小、重量轻和可靠耐用的特点，但对电池充电器芯片还没有达成一个同样统一的意见。
作为控制锂离子充电状态的功率器件，电池充电器芯片在便携式系统设计中扮演着重要的角色。
然而，设计师们还在使用着从较老并且相对粗糙和低成本的充电器件、到较新的更复杂芯片等各种各样的器件，而后者集成了越来越复杂的智能，可以延长电池寿命，保护被充电系统不受损害。
锂电池的充电相对于镍镉等普通充电电池要求较高：
根据锂电池的结构特性，最高充电终止电压应为4.2V，不能过充，否则会因正极的锂离子拿走太多，而使电池报废。
其充放电要求较高，可采用专用的恒流、恒压充电器进行充电。
通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电，当恒压充电电流降至100mA以内时，应停止充电。
充电电流（mA）=0.1～1.5倍电池容量（如1350mAh的电池，其充电电流可控制在135～2025mA之间）。
常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右，充电时间约为2～3小时。
AD模数转换，将模拟信号变成数字信号，便于数字设备处理。
AD转换器主要有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。
AD转换器的主要技术指标包括分辩率（Resolution）、转换速率（ConversionRate）、量化误差（QuantizingError）、偏移误差（OffsetError）、满刻度误差（FullScaleError）和线性度（Linearity）。
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机的集成度很高，它体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化、使用方便等突出特点，尤其耗电少，又可使供电电源体积小、质量轻。
所以特别适用于“电脑型产品”，它的应用已深入到工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活用品（家电、玩具）等各种领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
单片机特别适合把它做到产品的内部，取代部分老式机械、电子零件或元器件。
可使产品缩小体积，增强功能，实现不同程度的智能化。
LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。
比CRT要好的多，但是价钱较其贵。
2.2本设计方案思路
本设计主控芯片采用目前比较通用的MCS-51系列单片机。
此类单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，市场上比较多见，价格便宜且技术比较成熟容易实现。
本设计以AD模数转换，单片机控制LCD显示为主要研究内容。
要着重解决的问题有：
（1）HB6298充电芯片的工作原理；
（2）对于HB6298的充电测试电路的修改；
（3）测试信号的采集转换；
（4）控制LCD的字符输出。
2.3研发方向和技术关键
（1）合理设计硬件电路，使各模块功能协调；
（2）充电芯片的测试信号分析；
（3）充电芯片的信号采集分析；
（4）单片机对IO口的操作；
2.4主要技术指标
（1）充电芯片输入电流在0~5mA之间
（2）充电信号为低；
（3）充电结束信号为高；
（4）充电芯片的固定电压输出端为3.2V；
（5）单节电池电压输出在4.1~4.3之间；
（6）充电电流输出在0.92~1.08之间。
（本设计以单块锂电池充电为标准）
3总体设计
3.1系统工作原理
锂电池充电测试系统主要分为信号数据采集和LCD字符控制输出两部分。
信号数据采集主要由AD转换器才完成对测试输出信号的采样，输出12位数据，高位先送出，输出数据为二进制的格式，这样控制字的高4位为通道号,低4位均为0。
在单片机对数据判断完成之后，控制输出模块，在存储器中进行寻址找出相对应的显示代码或汉字字模，提取后作为显示信息送液晶显示器显示。
3.2系统总体架构设计
本设计主要研究并设计一个基于单片机判断AD转换信号数据输出，并显示在LCD液晶显示屏上，设计能够测试充电芯片质量好坏的测试电路。
控制系统主要是由MCS-51系列单片机、芯片充电测试电路、AD转换电路、LCD显示电路等部分组成，AD采集测试数据到单片机，单片机控制输出到LCD液晶显示器。
系统框图如下：
图3-1系统框图
3.3系统方案的可行性论证
3.3.1实用性
本系统具有实时性、灵活性、稳定性以及可视性等优点，方便用户直观快捷的判断出测试结果。
3.3.2经济可行性
现在市场上的测试仪器都是价格昂贵，对于一般的电子爱好者和各大院校的学生来说，这是一个不能承受的价格。
运用单片机控制，分析AD转换采集到的数据，判断芯片好坏。
设计这样的一款小型测试仪，不仅成本低，而且便于批量推广使用。
3.3.3技术可行性
单片机对数据进行处理，通过对ST7920的数据寄存器DR和指令寄存器IR的控制，可以实现对显示字符的输出。
4硬件设计
4.1主控芯片AT89S51
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中。
4.1.1主要特性
•8031CPU与MCS-51兼容
•4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）
•4.0－5.5V的工作电压范围
•全静态工作：
0Hz-33MHz
•三级程序存储器保密锁定
•128*8位内部RAM
•32条可编程I/O线
•两个16位定时器/计数器
•6个中断源
•全双工串行UART通道
•可编程串行通道
•低功耗的闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
•低功耗空闲和掉电模式
图4-1AT89S51芯片引脚
•灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）
4.1.2功能概述
AT89S51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89S51方框图：
图4-2AT89S51内部功能框图
4.1.3引脚功能说明
Vcc：
电源电压（5V）。
GND：
电源接地。
P0：
P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1：
Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。
P2：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
P3：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／0口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
表1P3口的第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时/计数器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。
DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。
ALE/
：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
：
程序储存允许（
）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次
有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，没有两次有效的
信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。
XTALl：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
4.1.4时钟电路
AT89S51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图13。
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容Cl、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。
如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10F。
本设计中我们采用的是石英晶体，电容为22pF。
图4-3晶振电路
4.1.5复位电路
复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号直至系统电源稳定后撤销复位信号，为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
复位是单片机初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
本设计采用了按键手动复位方式。
图14所示的RC复位电路可以实现上述基本功能。
S1为手动复位开关。
图4-4单片机复位电路
复位电路采用了按键与上电复位。
上电与按键均可以有效复位。
上电瞬间RST引脚获得低电平，单片机复位电路随着电容的C3的充电，RST引脚的低电平逐渐上升。
RST引脚的低电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。
按键复位是直接将高电平通过电阻R3分压到达RESET引脚，实现复位操作。
4.2HB6298充电芯片电路
HB6298A为开关型单节或两节锂离子/锂聚合物电池充电管理芯片，非常适合于便携式设备的充电管理应用。
HB6298A集内置功率MOSFET、高精度电压和电流调节器、预充、充电状态指示和充电截止等功能于一体，采用TSSOP20封装。
HB6298A对电池充电分为三个阶段：
预充（Pre-charge）、恒流（CC/ConstantCurrent）、恒压（CV/ConstantVoltage）过程，恒流充电电流通过外部电阻决定，最大充电电流为1.5A.HB6298A集成CYCLE-BY-CYCLE电流限制、短路保护，确保充电芯片安全工作.HB6298A集成NTC热敏电阻接口，可以采集、处理电池的温度信息，保证充电电池的安全工作温度。
HB6298充电芯片电路设计如下：
图4-5HB6298充电芯片电路
4.2.1信号说明
1：
VIN计算VIN-VIN0除以电阻R10的输入电流
2：
VIN0计算VIN-VIN0除以电阻R10的输入电流
3：
V_CHG0充电信号
4：
V_EOC0充电结束信号
5：
LVO1芯片固定输出
6：
OUT_V0电池电压VBAT
7：
V_ISET0充电电流设置引脚
4.2.2HB6298A管脚定义
图4-6HB6298A管脚分布图
4.2.3HB6298管脚描述
表4.1、HB6298A管脚描述
序号
符号
I/O
描述
1
STAT2
O
（STAT1）绿
（STAT2）红
描述
2
STAT1
O
灭
灭
没有充电或者无电
灭
亮
正在充电
亮
灭
充电完成
灭
脉冲1（0.5Hz）
故障状态
灭
脉冲2（2.0Hz）
电池温度异常
3&4
VIN
I
输入电源
5
VCC
I
模拟供电输入，接一个电容到地
6
NC
-
7
SLEEP
O
SLEEP模式输出端，用来控制边充边放的外置功率管
8
TTC
-
振荡器外接电容，决定内部振荡频率，同时提供参考时钟，确定总的充电时间
当该引脚接地时，取消充电时间限制
9
TS
I
温度传感信号输入
10
GND
-
模拟地
11
BAT
I
输出电流检测的负极输入端
12
SNS
I
输出电流检测的正极输入端
13
NC
-
14
VTSB
O
输出3.2V参考电压，最大提供10mA驱动能力，外接1u电容
15
VTRIM
I
与地或者BAT管脚之间外接电阻，微调满充电压
16
ISET2
I
外接电阻设置截止电流
17
ISET1
I
外接电阻控制预充电、恒电流充电电流
18&19
OUT
O
高端PMOSFET功率管漏极连接点
20
CELL
I
0：
两节锂电池充电
VTSB：
单节锂电池充电
4.3AD转换电路
4.3.1AD转换器
（1）分辩率（Resolution）指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。
分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。
（2）转换速率（ConversionRate）是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。
积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。
采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。
为了保证转换的正确完成，采样速率（SampleRate）必须小于或等于转换速率。
因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。
常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/MillionSamplesperSecond）。
（3）量化误差（QuantizingError）由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。
通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。
（4）偏移误差（OffsetError）输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
（5）满刻度误差（FullScaleError）满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
（6）线性度（Linearity）实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。
其他指标还有：
绝对精度（AbsoluteAccuracy），相对精度（RelativeAccuracy），微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（TotalHarmonicDistotortion缩写THD）和积分非线性。
[2]
AD的选择，首先看精度和速度，然后看是几路的，什么输出的比如SPI或者并行的，差分还是单端输入的，输入范围是多少，这些都是选AD需要考虑的。
结合多种因素，本列采用TLC2543型号12位A/D转换芯片。
4.3.2TLC2543芯片
具有1
升级会员 