智能快速充电器硬件与软件设计.docx

1、智能快速充电器硬件与软件设计智能快速充电器摘要： 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 、 I 2 C 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 I 2 C 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

2、1998 年在对 充电器市场 调研后，设计开发了 “ ZXG 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，该产品在设计中的缺乏越来越明显。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

3、算法，这样对已出厂的产品只能更换新的 MCU ，增加了生产本钱； b “ ZXG 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、可屡次重复充电、使用寿命长等优点，促进了便携式产品向更小更轻的方向开展，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

4、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 的选型。考虑到既要增加产品的智能化和实用性 ，又要降低生产本钱， 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、 I 2 C 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，到达降低生产本钱的目的，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 以 MC68HC908SR12 单片机为控

5、制核心； 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 和锂离子电池 Li+ ，选择相应的控制模块和算法对其快速充电； 采用最高端电压 V max 、最高温度 T max 、最长充电时间 t max 、电压负增长 - V 、温度变化率 T/ t 等快速充电终止法； 能对 1 4 节 镍镉电池 Nicd 、镍氢电池 NiMH 单独或同时充电； 能对 1 2 节 锂离子电池 Li+ 单独或同时充电； 充电速率，每 0.1Ah 的充电时间 10min ； 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； 对 锂离子电池 Li+ 采用恒流

6、转恒压充电模式； 使用具有 I 2 C 接口的高精度数字温度传感器 LM92 ，检测电池温度； 设有过充电保护、过放电保护和过电流保护； 设有电池开路、短路、反接保护； 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。 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

7、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局部。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

8、放大倍数为 1 256 。放大器的输入可选择为两路模拟输入脚 ATD0 、 ATD1 、片内温度传感器、模拟地输入 V SSAM 。 ATD0 和 V SSAM 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。 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 存放器中，将两级 可程控 运算放大器的增益值写入 AMGCR 存放器中。 充电开始后，软件定时采集采样电阻 R sense 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

9、检测充电电流，在电流超过指定值时产生中断并将 SR12 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。 500)this.style.width=500; onmousewheel=return bbimg(this) border=0设计中为了减小电流的脉动，降低输出纹波，在体积和本钱允许的情况下设计选用饱和电流比拟大的电感，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，在体积和本钱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 E

10、MI ，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，但应尽量防止标准铝电解电容。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

11、感构成的谐振回路将发生振荡，局部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/

12、 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 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拟小，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，增加本钱。 集成电路温度传感器的参数输出是与温度成线

13、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，简化局部系统的设计，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拟。其片内存放器可以设置高 / 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 I 2 C 总

14、线接口可对该传感器的内部存放器进行读 / 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 I 2 C 接口控制模块，使用通道 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 I 2 C 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

15、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 A 1 A 0 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 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 前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存放器地址，当收到 LM92

16、 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 / 写被访问存放器的数据，最后传送结束信号。 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 键盘中断使能存放器 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

17、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 存放器 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等。 4 、软件设计 本智能快速充电器的软件设计思想是：各个功能组件实现模块化编程，软件流程采用

18、中断工作方式。目的是使应用软件流程清晰，可读性强，易于功能调试以及产品的维护和升级。 本软件主要由初始化、预处理、快速充电和 涓流充电四个局部组成。 其流程如图 6 所示。 4.1 、初始化 在程序的初始阶段应首先对 MC68HC908SR12 单片机进行初始化操作，包括设置 I/O 端口的输入输出状态，设置 PLL 锁相环电路参数，设置 TIM 定时器参数等等。 4.2 、预处理 预处理阶段是进入快速充电前的准备工作。 程序初始化后，首先利用 MC68HC908SR12 单片机的内部温度 传感器检测环境温度。环境温度过低或过高时，均不能够对电池进行充电，否那么将损伤电池。例如： 锂离子电池

19、Li+ 的适宜充电温度范围在 2.5 50 之间。 然后，设置 A/D 转换参数和通道，检测电池的端电压。将检测数据同理论经验值比拟，判断电池的类别以及是否连接正确。对端电压低的电池，采用短时间的脉动电流充电，这样有利于激活电池内的化学反响物质，局部恢复受损的电池单元。对端电压在标称范围内的电池选择相应的充电控制模块和算法，对端电压不在标称范围内的电池，软件自动将其剔除。 4.3 、快速充电 按预定的充电控制模块和算法设置 MC68HC908SR12 单片机 PWM 的控制存放器 PWMCR 、时钟存放器 PWMCCR 以及数据存放器 PWMDR0 PWMDR2 ，翻开中断使能位，开始快速充电

20、。 快速充电时， MC68HC908SR12 单片机 必须不断检测以下几项关键技术指标：电路是否出现断路、电池是否出现不均衡现象、电池是否到达规定的平安电压、电池是否温度过高、电池是否满足 - V 或 T/ t 条件。 其中电池的断路主要通过检测采样电阻 R sense 上的电流大小来判断。而且为了防止误判断，应该反复检测。当出现断路时，应重新返回预处理阶段。断路的判断时机应该在电池端电压已经到达预定值的情况下进行，否那么在电池端电压没有到达预定值的情况下，充电电流比拟小，可能出现误判断。 均衡充电是本智能充电器的另一个重要特点。在充电的过程中，由于电池的质量不相同，容量小、质量差的电池端电压

21、在充入相同电量后会出现电压增长比另一个电池多的情况，如果不采取措施，它们的电压差将会增大，以至其中一个电池很快到达规定的平安电压，充电过程也将被迫停止。此时应该停充电压高的电池，即均衡充电。这样有利于恢复电池内受损的单元，使充电过程能顺利地进行下去。 电池的端电压检测使用 MC68HC908SR12 单片机的片上 10 位高精度 A/D 模块，采用中断控制方式，这样可节省 MC68HC908SR12 单片机在 A/D 转换期间的等待时间。 端电压检测的数据，通过充电算法计算电池的电压负增长 - V 是否满足快速充电终止条件，时实修改 MC68HC908SR12 单片机 PWM 的输出参数，控制

22、充电电流的大小。 电池的温度检测在端电压检测之后进行。 MC68HC908SR12 单片机通过设置不同的地址编码 A 1 A 0 ，访问相应的数字温度传感器 LM92 ，读取温度数据，通过充电算法计算电池的温度变化率 T/ t 是否满足快速充电终止条件，时实修改 MC68HC908SR12 单片机 PWM 的输出参数，控制充电电流的大小。 为了防止电池被冲坏，在电池电压到达最高端电压 V max 或最高温度 T max 时应立刻停止充电，否那么会损坏电池。 4.4 、涓流充电 快速充电结束后， MC68HC908SR12 单片机自动转入涓流充电模式，补偿电池因自放电而损失的电量，这样可使电池总处于充足电的状态。 5 、结束语 经过几个月的设计和调试，以 MC68HC908SR12 单片机为控制核心的智能快速充电器已能正常工作。由于 SR12 具有良好的性能价格比，将其特有的模拟电路模块、高精度 A/D 转换 、 I 2 C 总线接口以及高速 PWM 等功能运用到充电控制中，有效使用了 SR12 的片内外功能， 增加产品的智能化和实用性， 节省了产品的开发时间和费用，降低了生产本钱， 同时也提高了产品的一致性和可靠性。