基于LM3S9B92的鋰離子電池充電器的設計與實現(xiàn)

鋰離子電池憑借其能量密度高、使用壽命長、自放電率低、無記憶效應以及綠色環(huán)保[1]等獨特優(yōu)勢，成為了便攜式電子產(chǎn)品的首選電池。與此同時，隨著信息化社會的不斷發(fā)展，鋰離子電池將會在通信、汽車電子、儀器儀表、航空航天等各個領域得到更深層次的開發(fā)應用。針對目前市場上充電器的充電效率低、充電時間長、降低電池壽命等缺陷以及鋰離子電池的充電特性，本文利用LM3S9B92作為主控制器，在鋰離子電池的充電過程中對其進行智能控制，嚴格控制充電電流和電壓。
圖1為所設計的鋰離子電池充電器框圖，主要包括變壓整流、穩(wěn)壓部分以及電源變換器、LM3S9B92嵌入式微控制器、采樣電路和鋰離子電池。

1 LM3S9B92嵌入式微控制器
采用Stellaris系列的基于Cortex-M3內(nèi)核的LM3S9B92作為主芯片。該控制器包含很多個GPIO口、2個10 bit的ADC模塊、3個模擬比較器、8個可用于運動和能源領域的PWM輸出、4個32 bit定時器以及UART、I2C、SPI、I2S、USB、LCD、以太網(wǎng)接口等各種豐富的外設功能[2，3]，因此非常適合用作智能型充電器的控制單元。
LM3S9B92的任務是：(1)實時采集電池的充電狀態(tài)，通過計算決定下一階段的充電電流，并產(chǎn)生合適的PWM信號來控制充電電流；(2)通過LCD實時顯示采樣數(shù)據(jù)，當采集的電池參數(shù)不正常時產(chǎn)生報警信號。
2 鋰電池充電器硬件設計
2.1 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路
變壓整流和穩(wěn)壓部分電路如圖2所示，市電經(jīng)過變壓器變壓后，通過由4只二極管組成的橋式整流電路或者整流橋堆輸出直流電，再通過電容器濾波后作為集成穩(wěn)壓塊LM338的輸入，調(diào)節(jié)集成穩(wěn)壓塊外接的可調(diào)電阻R2就可以調(diào)節(jié)輸出端電壓。

2.2 鋰電池充電主電路
圖3為鋰電池充電主電路部分，該部分主要包括電源變換電路和采樣電路。

電源變換部分采用容易控制的、效率高的BUCK變換器[4-5]，通過LM3S9B92產(chǎn)生的PWM信號控制，通過控制PWM的占空比來控制開關(guān)管Q4的輸出電壓或者電流。BUCK電路開關(guān)管Q4的驅(qū)動采用“圖騰柱”電路，“圖騰柱”屬于推挽電路，因此可以主動對開關(guān)管的柵極進行放電，這樣一來，柵極泄放電阻R7可以省略，也可以取比較大的數(shù)值，這種驅(qū)動相比于其他形式的直接驅(qū)動，驅(qū)動能力更強[6]。驅(qū)動所需的PWM信號來源于LM3S9B92，LM3S9B92既可以利用其PWM模塊產(chǎn)生所需的PWM信號，也可以利用定時器模塊的16位PWM功能來產(chǎn)生PWM信號。如果直接利用PWM模塊產(chǎn)生PWM信號，在設定好周期時，可以適時改變PWM的匹配值來改變占空比；如果利用定時器模塊在16位PWM工作模式下產(chǎn)生PWM波，則定時器配置為16位的遞減計數(shù)器，通過配置適當?shù)难b載值（決定PWM周期）和匹配值（決定PWM占空比）來自動產(chǎn)生PWM方波信號，并從相應的管腳輸出。
本方法的基本思想是利用LM3S9B92所具有的PWM管腳，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件編程的方法調(diào)整PWM控制寄存器的數(shù)值來調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。在調(diào)整充電電流前，處理器應讀取充電電流的大小，然后把設定的充電電流與實際讀取的充電電流進行比較，若實際電流偏小，則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比；若實際電流偏大，則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。
采樣電路是指對充電電壓和充電電流的采樣，采樣的電壓和電流通過LM3S9B92的一個集成的10 bit ADC模塊送到LM3S9B92控制芯片中，LM3S9B92對數(shù)據(jù)進行處理與保存。ADC模塊支持16個輸入通道，并含有4個可編程的序列發(fā)生器，這些序列發(fā)生器無需控制器干預即可自動對多個模擬輸入源進行采樣。ADC可使用片內(nèi)3 V參考電壓，也可使用片外參考電平。圖3中R8、R9分壓后再經(jīng)過RC低通濾波，最后接到LM3S9B92的ADC引腳作為電池正端電壓采樣，其目的是防止進入ADC引腳的電壓太大而損壞芯片，為安全起見，在RC濾波后采取限壓保護措施，例如采用鉗位保護二極管等。為了降低成本，設計中對電流的采樣不外加傳感器，而是通過一個傳感電阻R11將流過電池的電流轉(zhuǎn)換成電壓后，再進行ADC轉(zhuǎn)換取樣。流過電池的電流可能會很大，如果R11取得很大，就會產(chǎn)生較大的電壓降，根據(jù)功率計算公式P=I2R可知，若消耗的功率太大會產(chǎn)生較多的熱量，為此本設計中取R11=0.5 Ω。
ADC轉(zhuǎn)換需要一個基準電壓為參照來完成模擬電壓信號到數(shù)字信號的量化?；鶞孰妷褐苯佑绊戨妷汉碗娏鞯牟蓸咏Y(jié)果。LM3S9B92內(nèi)部集成了可編程選擇的3 V基準穩(wěn)壓源，可確?；鶞孰妷旱臏蚀_性，不需要采用外部的穩(wěn)壓源，可以節(jié)省設計成本。
3 軟件程序設計

鑒于電壓和電流的響應很快，因此在軟件設計時，控制算法就簡單很多，即使不使用傳統(tǒng)的PID控制算法也能取得良好的控制效果。鋰離子電池采用三階段充電方式，即小電流充電、恒流充電和恒壓充電三個階段，其充電主控制程序流程圖如圖4所示。

本設計是針對12 V、5 000 mAh的鋰電池而言的，對于容量不同的鋰電池只要根據(jù)需要改變硬件電路參數(shù)即可，同時采用功能強大的LM3S9B92微控制器，使得充電電流和電壓能夠得到嚴格控制，具有數(shù)字化和智能化的特點，因此具有一定的推廣和應用價值。
參考文獻
[1] 王海明，鄭繩楦，劉興順.鋰離子電池的特點及應用[J].電氣時代，2004（3）：132-134.
[2] TI.Stellaris LM3S9B92 microcontroller data sheet[A].2011.
[3] 馬忠梅，李奇，徐琰，等.ARM Cortex核TI微控制器原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.
[4] Off-line Li-Ion battery charger with P89LPC916[A].2004.
[5] 尚繼良，王光光.基于EasyARM1138的電能收集充電器設計[J].微型機與應用，2010，29（7）：40-42.
[6] 吳紅奎.場效應管基礎與應用實務[M].北京：科學出版社，2011.