采用單片機和充電集成電路進行充電器的設(shè)計

1 蓄電池的特點

目前常用的四種化學(xué)電池是鉛酸電池(PbSO4)、鋰離子電池(Li+)、鎳鉻電池(NiCd)和鎳氫電池(NiMH)。由于環(huán)保問題和對電池的要求越來越高等綜合因素，推動了新電池技術(shù)的發(fā)展。

1.1 鎳鉻電池和鎳氫電池

鎳鉻電池的容量比鎳氫電池或鋰離子電池低，具有低阻抗特性，對于需要短時間大電流的應(yīng)用場合很具吸引力。但鎳鉻電池如果未經(jīng)充分放電又進行充電，或者長時間處于小電流放電狀態(tài)，就會產(chǎn)生枝狀晶體，引起“記憶效應(yīng)”，從而導(dǎo)致電池內(nèi)阻變大，容量變小，縮短了電池壽命。如果在充電前進行完全放電，使每節(jié)電池的電壓降到1.0V左右，就能消除引起“記憶效應(yīng)”的枝狀晶體，恢復(fù)電池的性能。鎳氫電池具有較高的容量，但其自放電率也較高，約為鎳鉻電池的二倍。在初始階段其放電率尤高(每天放掉1%)。所以鎳氫電池不宜用于需要長時間保持電池容量的場合。就充電方式而言，兩種電池非常相似，都是以恒流的方式進行充電，可采用快速、標準或者涓流的方式進行充電。它們都能以超過2C(C為電池容量，單位為安培)的速率進行充電(但一般采用C/2速率)。由于存在內(nèi)部損耗，充電效率一般小于100%，所以，在采用C/2的速率充電時，通常需要兩個多小時才能把電池充滿。充電過程中的損耗隨著充電速率和電池的不同而不同。在恒流充電時，電池電壓會緩慢達到峰值(ΔV/Δt變?yōu)?)，鎳氫電池需在這個峰值點終止快速充電，鎳鉻電池的充電須在峰值點后當電池電壓開始下降時(ΔV/Δt變?yōu)樨?即終止快速充電，否則會導(dǎo)致電池內(nèi)壓力和溫度上升而損壞電池。當充電速率大于C/2時，則要監(jiān)測電池的電壓和溫度，因為當電池快充滿時，電池的溫度會急劇上升。對于鎳鉻電池和鎳氫電池，還可以采用比較簡便的涓流充電，這時只會造成極小的溫升，不會損壞電池，也就無需終止涓流充電或者監(jiān)測電池的電壓。允許的最大涓流隨著電池類型和環(huán)境溫度的不同而不同，典型條件下C/15較為安全。

1.2 鋰離子電池

過去幾年中，電池技術(shù)領(lǐng)域最突出的創(chuàng)新就是鋰離子電池。相對于鎳基電池而言，鋰離子電池具有更高的容量。從容量/體積比來衡量，鋰離子電池比鎳氫電池高出10%～30%，從容量/質(zhì)量比來看，鋰離子電池比鎳氫電池高出近兩倍。但鋰離子電池對于過充電和欠充電很敏感。要達到最大容量就必須充電到最高電壓，而過高的電壓和過大的充電或放電電流又會造成電池的永久性損壞。如果多次放電至過低的電壓則會造成容量損失，所以，充電和放電時都須限制其電壓和電流，以保護電池不受損壞。鋰離子電池的充電方式不同于鎳基材料的化學(xué)電池，充電時需用一個電壓—電流源來進行充電。為了獲得最大的充電量而又不損壞電池，須使電壓保持在1%的精度內(nèi)?？焖俪潆婇_始時，電池的電壓比較低，充電電流即為電流極限。隨著充電的進行，電池電壓緩慢上升，最終當每節(jié)電池達到浮空電壓 4.2V時，此時即可終止充電。

2　總體設(shè)計

2.1 充電器芯片MAX846A

MAX846A是一種16腳QSOP封裝的通用型充電控制芯片，可以單獨構(gòu)成鋰離子電池充電器，也可以在單片機的控制下對鋰離子電池和鎳基電池進行充電。圖1為其QSOP封裝的管腳圖。圖中，1腳DCIN和4腳GND及15腳PGND分別為電源和地端。2腳VL端可提供3.3V，1%的電壓基準。3腳CCI和5腳CCV分別為電流和電壓調(diào)節(jié)回路補償端。7腳ISET和6腳VSET分別為充電電流和電壓回路設(shè)定端。8腳OFFV為電壓調(diào)節(jié)回路控制端，對于鎳基電池置為高電平。當VL端電壓低于3V時，9腳PWROK輸出低電平，可給MCU提供復(fù)位信號。10腳CELL2為鋰離子電池選擇端，低電平時為一節(jié)，高電平時為兩節(jié)。11腳ON為充電控制端，低電平時停止充電。12腳BATT端接電池正極。13腳CS+和14腳CS-為內(nèi)部電流檢測放大器輸入端。16腳DRV為外部調(diào)節(jié)晶體管驅(qū)動端。2.2 硬件設(shè)計

充電器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。整個系統(tǒng)以MCU為核心構(gòu)成，包括電源電路、調(diào)節(jié)電路、充電與放電電路、鍵盤與顯示電路及報警電路等環(huán)節(jié)。

MCU選用AT89C51，片內(nèi)帶4K的EEPROM，這樣就無需擴展程序存儲器，簡化了電路設(shè)計。電源回路中，220V的交流電經(jīng)變壓器降為 12V，經(jīng)過整流濾波變?yōu)?4V左右，作為MAX846A的充電電源，另外經(jīng)7805穩(wěn)壓后作為其他電路單元的工作電源。調(diào)節(jié)電路主要由A/D和D/A構(gòu)成，用于檢測電池的電壓和溫度及設(shè)置電池的浮空電壓和充電電流。充電電路以MAX846A為中心，完成