AVR的鋰電池智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

鋰電池閑其比能量高、自放電小等優(yōu)點(diǎn)，成為便攜式電子設(shè)備的理想電源。近年來，隨著筆記本電腦、PDA，無繩電話等大功耗大容量便攜式電子產(chǎn)品的普及，其對(duì)電源系統(tǒng)的要求也日益提高。為此，研發(fā)性能穩(wěn)定、安全可靠、高效經(jīng)濟(jì)的鋰電池充電器顯得尤為重要。

本文在綜合考慮電池安全充電的成本、設(shè)計(jì)散率及重要性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于ATtiny261單片機(jī)PWM控制的單片開關(guān)電源式鋰電池充電器，有效地克服了一般充電器過充電、充電不足、效率低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池組的智能充電，達(dá)到了預(yù)期效果。該方案設(shè)計(jì)靈活，可滿足多種型號(hào)的鋰電池充電需求，且ATtiny261集成化的閃存使其便于軟件調(diào)試與升級(jí)。

2 鋰電池充電特性

鋰電池充電需要控制它的充電電壓，限制其充電電流。鋰電池通常都采用三段充電法，即預(yù)充電、恒流寬電和恒壓充電。鋰電池的充電電流通常應(yīng)限制在1C(C為鋰電池的容量)一下，單體充電電壓一般為4．2V，否則可能由于電聰過高會(huì)造成鍵電池永久性損壞。

預(yù)充電主要是完成對(duì)過放的鋰電池進(jìn)行修復(fù)，若電池電壓低于3V，則必須進(jìn)行預(yù)充電，否剛可省略該階段。這也是最普遍的情況。在恒流階段，充電器先給電池提供大的恒定電流，同時(shí)電池電壓上升，當(dāng)魄池電壓達(dá)到飽和電壓對(duì)，則轉(zhuǎn)入憾壓充電，充電電壓波動(dòng)應(yīng)控制在50mV以內(nèi)，同時(shí)充電電流降低，當(dāng)電流逐漸減小到規(guī)定的值時(shí)，可結(jié)束充電過程。電池的大部分電能在慣流及恒壓階段從充電器流入電池。曲上可知，充電器實(shí)際上是一個(gè)精密電源，其電流電壓都被限制在所要求的范圍之內(nèi)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)上主要由單片開關(guān)電源、控制電路及保護(hù)電路三部分組成。

3.1 單片開關(guān)電源

單片開關(guān)電源負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化為電池充電所需要的形式，構(gòu)成了充電器的主要功率轉(zhuǎn)換方式。與傳統(tǒng)線性充電器大損耗、低效率的缺點(diǎn)相比，由美國(guó)Power Integrations公司的TNY268P構(gòu)成的單片開關(guān)電源，其輸入電壓范圍寬(85265VAC)、體積小、重量輕、效率高，其有調(diào)壓、限流、過熱保護(hù)等功能，特別適合于構(gòu)成充電電源。其原理圖如圖1所示。

圖1單片開關(guān)電源

該電源采用配穩(wěn)壓管的光藕反饋電路實(shí)現(xiàn)15V的低壓直流輸出，當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，通過線性光藕PC817的發(fā)光管的電流發(fā)生相應(yīng)的變化，使得TNY268P的EN腳流出電流也發(fā)生變化，從而控制其片內(nèi)功率MOSFET的斷、通、調(diào)節(jié)輸出電壓，使輸壓電壓穩(wěn)定。具體反饋原理分析詳見后文脈寬調(diào)制(PWM)的控制。

在電路結(jié)構(gòu)上，線性光藕PC817，不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可起到隔離作用。由PNP管Q2和電阻R9、R1O及R12組成的限流電路，則從源頭上防止了過電流的問題。由C6及R11構(gòu)成的緩啟電路，則有效抑止了電源上電瞬間的產(chǎn)生的電壓尖峰。而二極管D9則防止了電池組的反向放電。此外，對(duì)整個(gè)充電系統(tǒng)而言，當(dāng)因意外情況系統(tǒng)失控時(shí)，開關(guān)電源所提供的15V直流低壓也在某種程度上起到了限制其最高電壓的作用。