智能快速充電器硬件與軟件設(shè)計(jì)

智能快速充電器摘要：本文介紹了一種智能快速充電器的設(shè)計(jì)過(guò)程。該充電器基于Motorola公司的MC68HC908SR12單片機(jī)為控制核心，將SR12特有的模擬電路模塊、高精度A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口以及高速PWM等功能運(yùn)用到充電控制中，詳細(xì)講述了其硬件和軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，并從元器件篩選、PCB板繪制和軟件設(shè)計(jì)等方面介紹了該充電器抑制和防電磁干擾的措施。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)A/D轉(zhuǎn)換I2C總線傳感器電磁干擾1、引言隨著便攜式設(shè)備不斷小型化、輕量化和高性能化，作為其電源的二次電池的使用率日益提高。我單位于1998年在對(duì)充電器市場(chǎng)調(diào)研后，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“ZXG－99型智能快速充電器〞，1999年設(shè)計(jì)定型，同年投入生產(chǎn)，截止到2001年底，已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)了5000多部，取得了一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。今年又簽定了幾千部的生產(chǎn)合同，但是隨著產(chǎn)量的逐年增加，以及二次電池市場(chǎng)的不斷變化，該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中的缺乏越來(lái)越明顯。主要有以下幾點(diǎn)：a．“ZXG－99型智能快速充電器〞的中央微處理器選擇的是OTP型單片機(jī)，不具有片上FLASH存儲(chǔ)器，程序固化后不能更改，這在產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)十分不便，而且隨著市場(chǎng)上二次電池的充電特性不斷變化，設(shè)計(jì)人員要及時(shí)更改充電控制參數(shù)或開(kāi)發(fā)新的充電算法，這樣對(duì)已出廠的產(chǎn)品只能更換新的MCU，增加了生產(chǎn)本錢；b．“ZXG－99型智能快速充電器〞只能對(duì)鎳鎘電池〔Nicd〕和鎳氫電池〔NiMH〕充電，沒(méi)有涉及鋰離子電池，主要原因是當(dāng)時(shí)鋰離子電池的普及率低，價(jià)格高。但是鋰離子電池具有較高的能量重量比和能量體積比、無(wú)記憶效應(yīng)、可屢次重復(fù)充電、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品向更小更輕的方向開(kāi)展，使得選用單節(jié)鋰離子電池供電的產(chǎn)品越來(lái)越多，同時(shí)其價(jià)格也越來(lái)越低。今后二次電池的主流將是鋰離子電池，作為一個(gè)完整的產(chǎn)品應(yīng)該將其納入到設(shè)計(jì)中；c．該OTP型單片機(jī)的A/D采樣值只有8位，在對(duì)電池進(jìn)行-△V檢測(cè)中精度不夠，不能對(duì)充電過(guò)程實(shí)行更精確的控制。在開(kāi)發(fā)新型智能充電器中，首要環(huán)節(jié)就是中央微處理器MCU的選型?？紤]到既要增加產(chǎn)品的智能化和實(shí)用性，又要降低生產(chǎn)本錢，最終決定選用Motorola公司新近推出的MC68HC908SR12作為新型智能快速充電器的MCU，這是因?yàn)镾R12具有模擬電路模塊、高精度A/D〔10位〕、I2C總線接口以及高速PWM等功能，特別適合開(kāi)發(fā)電池充電器和SMBus智能電池，可極大的減少片外其它元器件的開(kāi)銷，到達(dá)降低生產(chǎn)本錢的目的，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性。2、概述2.1、功能特性?以MC68HC908SR12單片機(jī)為控制核心；?根據(jù)二次電池的充電特性，軟件智能識(shí)別鎳鎘電池〔Nicd〕、鎳氫電池〔NiMH〕和鋰離子電池〔Li+〕，選擇相應(yīng)的控制模塊和算法對(duì)其快速充電；?采用最高端電壓Vmax、最高溫度Tmax、最長(zhǎng)充電時(shí)間tmax、電壓負(fù)增長(zhǎng)-△V、溫度變化率△T/△t等快速充電終止法；?能對(duì)1?4節(jié)鎳鎘電池〔Nied〕、鎳氫電池〔NiMH〕單獨(dú)或同時(shí)充電；?能對(duì)1?2節(jié)鋰離子電池〔Li+〕單獨(dú)或同時(shí)充電；?充電速率，每0.1Ah的充電時(shí)間＜10min；對(duì)鎳鎘電池〔Nied〕、鎳氫電池〔NiMH〕采用脈沖充電模式，消除記憶效應(yīng)；對(duì)鋰離子電池〔Li+〕采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電模式；使用具有I2C接口的高精度數(shù)字溫度傳感器LM92，檢測(cè)電池溫度；設(shè)有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)；設(shè)有電池開(kāi)路、短路、反接保護(hù)；快速充電結(jié)束后自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電模式。2.2、系統(tǒng)框圖該智能充電器以MC68HC908SR12單片機(jī)為控制核心，主要包括電源電路、恒流恒壓電路、溫度檢測(cè)電路、鍵盤響應(yīng)電路以及狀態(tài)顯示電路。圖1是其系統(tǒng)框圖。MC68HC908SR12罔1智能快速充電器系統(tǒng)框圖3、硬件設(shè)計(jì)3.1、電源電路使用開(kāi)關(guān)電源作為充電器的供電設(shè)備。開(kāi)關(guān)電源采用脈沖調(diào)制方式PWM〔PulseWidthModulation〕和MOSFET、盯S、IGBT等電子器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)電源集成化程度較高，具有調(diào)壓、限流、過(guò)熱保護(hù)等功能。同線性電源相比其輸入電壓范圍寬〔通?？蛇_(dá)交流85?265V〕、體積小、重量輕、效率高。其缺點(diǎn)是有脈沖擾動(dòng)干擾，設(shè)計(jì)電路板時(shí)采用同主控板隔離和添加屏蔽罩等措施，來(lái)抑制干擾。3.2、恒流恒壓電路恒流恒壓電路是智能充電器的關(guān)鍵局部。圖2是其電路原理圖。恒流恒壓電路由SR12單片機(jī)片內(nèi)模擬電路模塊和片外的MOSFET開(kāi)關(guān)管、肖特基二極管、濾波電感、濾波電容等器件組成。模擬電路模塊是SR12的特有部件，圖3為它的結(jié)構(gòu)框圖。它由輸入多路開(kāi)關(guān)、兩組可程控放大器、片內(nèi)溫度傳感器、電流檢測(cè)電路等組成?？沙炭胤糯笃骺偡糯蟊稊?shù)為1?256。放大器的輸入可選擇為兩路模擬輸入腳〔ATD0、ATD1〕、片內(nèi)溫度傳感器、模擬地輸入〔VSSAM〕。ATD0和VSSAM間可接一個(gè)電流檢測(cè)電阻，用于測(cè)量外部電流，它還連接至電流檢測(cè)電路，可在電流超過(guò)指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并輸出信號(hào)。a2恒流恒圧電路原理圖在充電開(kāi)始前的預(yù)處理階段，根據(jù)不同的電池，軟件選擇相應(yīng)的充電算法，將通道選擇控制字寫入SR12單片機(jī)的AMCR存放器中，將兩級(jí)可程控運(yùn)算放大器的增益值寫入AMGCR存放器中。充電開(kāi)始后，軟件定時(shí)采集采樣電阻Rsense上的電壓值，經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)置SR12單片機(jī)PWM的輸出參數(shù)。同時(shí)，電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電流,在電流超過(guò)指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并將SR12單片機(jī)的PTCO/PWMO/CD端口置為低電平，及時(shí)關(guān)斷充電電流，實(shí)現(xiàn)恒流恒壓的充電控制。00)this.style.width=500;"onmousewheel="returnbbimg(this)">"border=0>設(shè)計(jì)中為了減小電流的脈動(dòng)，降低輸出紋波，在體積和本錢允許的情況下設(shè)計(jì)選用飽和電流比擬大的電感，因?yàn)楫?dāng)磁芯接近飽和時(shí)損耗增大，會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率。電感的飽和電流至少應(yīng)大于充電回路中的峰值電流。同時(shí)，電感的直流電阻會(huì)消耗一定的功率，在體積和本錢許可的情況下設(shè)計(jì)選用直流電阻盡量小的電感。另外對(duì)于低噪聲應(yīng)用，為降低電源的EMI，設(shè)計(jì)選用具有閉合磁芯的電感。設(shè)計(jì)中選擇濾波電容的主要依據(jù)是系統(tǒng)對(duì)電源紋波的要求。濾波電容的等效串聯(lián)電阻〔ESR〕是造成輸出紋波的主要因素，而且也會(huì)影響到轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)選用低ESR的電容。陶瓷電容和鉭電解電容具有較低的ESR，也可選用低ESR的鋁電解電容，但應(yīng)盡量防止標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容。容量一般在10MF?100pF，對(duì)于較重的負(fù)載設(shè)計(jì)選取大一點(diǎn)的電容。較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。在每次充電周期結(jié)束后，充電環(huán)路中可以觀察到振蕩現(xiàn)象。這是由于電感中的能量全部釋放給負(fù)載后，在電感自身的寄生電容和引腳分布電容中還儲(chǔ)存有一定的能量，在這些能量的作用下，電容和電感構(gòu)成的諧振回路將發(fā)生振蕩，局部能量將以電磁波的形式向外輻射出去，造成對(duì)SR12單片機(jī)和其它電路的干擾，在對(duì)噪聲敏感的設(shè)計(jì)應(yīng)用中必須對(duì)其加以抑制。在充電回路中接入肖特基二極管D14來(lái)抑制這種EMI。具體做法是，當(dāng)電感中的能量釋放完畢后，通過(guò)D14使諧振電路處于臨界阻尼或過(guò)阻尼狀態(tài)，將剩余

能量消耗在D14上，減小電磁輻射，確保SR12單片機(jī)正常工作。同時(shí)，肖特基二極管D14的另一重要作用是吸收電感的反向電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)MOSFET開(kāi)關(guān)管Q6。3.3、溫度檢測(cè)電路在快速充電過(guò)程中，電池的溫度會(huì)隨著充電容量的增加而上升，尤其在接近充電終止時(shí),溫度變化率△T/△t最大，該特性是判斷電池是否充滿的主要條件之一，因此，及時(shí)、快速和準(zhǔn)確地檢測(cè)電池的溫度變化是本電路的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)選用集成電路溫度傳感器LM92檢測(cè)電池溫度，圖4為其電路原理圖。同時(shí),利用SR12單片機(jī)的內(nèi)部溫度傳感器概略監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，其測(cè)溫范圍-20°C?70C。iVLLFUTAAJT丁AITTJC5LM9LIC7LW2GtfC[KT:十PUiVLLFUTAAJT丁AITTJC5LM9LIC7LW2GtfC[KT:十PUSb：!.12S^iril：＜「萬(wàn)押誠(chéng)亦飛料豊12Pin17KCso.y.CRITAJLlfUTFCBI.M92皿SCLTCHITAJL1rn-F.M9Z圖4溫度檢測(cè)電路原理圖以往的充電器均多使用熱敏電阻作為溫度傳感器，在本設(shè)計(jì)中為何舍棄，這是因?yàn)闊崦綦娮璧碾妷狠敵雠c溫度并非成線性比，在高溫時(shí)的電壓變化率比擬小，不易分辨，而且需依靠查表或加設(shè)電路才能得知輸出電壓與溫度的關(guān)系，其產(chǎn)品一致性差，在出廠前需要校正，增加本錢。集成電路溫度傳感器的參數(shù)輸出是與溫度成線性比，兩者之間的關(guān)系可以用公式來(lái)表達(dá),故即使在較高的溫度范圍內(nèi)，集成電路溫度傳感器也具有很高的準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)中需要較少的芯片支持，有助于節(jié)省印刷電路板的板面空間，簡(jiǎn)化局部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。LM92是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器。其內(nèi)部的12位溫度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將被感應(yīng)溫度的模擬量轉(zhuǎn)換為0.0625C量化間隔的數(shù)字量，常溫下精度可達(dá)土0.33C,并可與用戶設(shè)置的溫度點(diǎn)進(jìn)行比擬。其片內(nèi)存放器可以設(shè)置高/低的溫度窗口門限及臨界溫度告警門限，當(dāng)溫度偏離設(shè)置門限時(shí)，漏級(jí)開(kāi)路中斷INT及臨界溫度告警T_CRIT_A輸出有效信號(hào)。通過(guò)I2C總線接口可對(duì)該傳感器的內(nèi)部存放器進(jìn)行讀/寫操作，最多可允許4片LM92掛接在同一條串行總線上。MC68HC908SR12單片機(jī)具有I2C接口控制模塊，使用通道0〔SDA0和SCL0〕，可十分方便地同溫度傳感器LM92連接。圖4為溫度檢測(cè)電路原理圖。

LM92采用I2C串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)同MC68HC908SR12單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中LM92為從器件，通過(guò)數(shù)據(jù)輸入、輸出線SDA以及時(shí)鐘信號(hào)線SCL與總線相連。其傳輸時(shí)序如圖5所示。當(dāng)SCL保持高電平時(shí)，SDA從高電平到低電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始信號(hào)，隨后傳送LM92的地址信息和讀/寫控制位。地址信息的格式為：10010A1AaR/W根據(jù)A1A0的不同編碼，最多可允許4片LM92掛接在同一條串行總線上，分別對(duì)應(yīng)四節(jié)充電電池。讀/寫控制位為1表示對(duì)LM92進(jìn)行讀操作，為0表示進(jìn)行寫操作。每個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束，要收到接收數(shù)據(jù)一方的應(yīng)答信號(hào)〔ACK〕前方可開(kāi)始下一步操作。最后，在SCL保持高電平的情況下，SDA從低電平到高電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束信號(hào)。具體操作過(guò)程是：MC68HC908SR12單片機(jī)首先傳送開(kāi)始信號(hào)，接著寫入芯片地址信息和讀/寫控制位，之后寫入要訪問(wèn)的片內(nèi)存放器地址，當(dāng)收到LM92的應(yīng)答信號(hào)〔ACK〕后，再次傳送開(kāi)始信號(hào)，并寫入芯片地址信息和讀/寫控制位，當(dāng)收到LM92的應(yīng)答信號(hào)〔ACK〕后，可讀/寫被訪問(wèn)存放器的數(shù)據(jù)，最后傳送結(jié)束信號(hào)。TOC\o"1-5"\h\z込—uVkrvruwvruVuruwuvrkrWVi.1jj!zair.i■jdjrr—玄A.；=；；?5*"J；；；；；匚‘；；；；■'■；；?==■「匸■■_-?；A—uJ\J—1I———/kJUlJT\ji\[JinXzXn:i：j■?e口口譏/flii■匕,.r-ackT-177收幵始兀＞地址番存壽地韭-FLrJLrLrLrLrLrLrLrui-FLrJLrLrLrLrLrLrLruiLrLrLrLrLrLrLrLrLAArLrLrLrLrLrLrLjV'1NO蛍新

開(kāi)始芯片地址圖5LM92與SR12單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)倍輸?shù)臅r(shí)序3.4、鍵盤響應(yīng)電路設(shè)計(jì)鍵盤響應(yīng)電路時(shí)，使用MC68HC908SR12單片機(jī)PORTD〔PTD6和PTD7〕端口的鍵盤中斷功能〔KBI〕。根據(jù)實(shí)際情況，在MC68HC908SR12單片機(jī)的鍵盤中斷使能存放器KBIER中寫入相應(yīng)的值，寫入“1〃表示中斷允許，寫入“0〃表示不能中斷。鍵盤中斷允許的端口，MC68HC908SR12單片機(jī)將對(duì)其內(nèi)部上拉30kQ的電阻,這樣鍵盤響應(yīng)電路的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)潔，要注意的是應(yīng)用軟件中要增加鍵盤消抖動(dòng)子程序，防止誤操作。3.5、狀態(tài)顯示電路同樣，狀態(tài)顯示電路的設(shè)計(jì)使用了MC68HC908SR12單片機(jī)PORTA〔PTA0?PTA5〕端口的LED直接驅(qū)動(dòng)功能。編程時(shí)首先設(shè)置PORTA的工作狀態(tài)，在LED控制存放器LEDA中寫入相應(yīng)的值，寫入“1〞表示可直接驅(qū)動(dòng)LED，寫入“0〞表示作為標(biāo)準(zhǔn)I/O端口。在充電的每個(gè)階段均有狀態(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過(guò)高進(jìn)入溫控狀態(tài)、電池快充結(jié)束轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)等。4、軟件設(shè)計(jì)本智能快速充電器的軟件設(shè)計(jì)思想是：各個(gè)功能組件實(shí)現(xiàn)模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。目的是使應(yīng)用軟件流程清晰，可讀性強(qiáng)，易于功能調(diào)試以及產(chǎn)品的維護(hù)和升級(jí)。本軟件主要由初始化、預(yù)處理、快速充電和涓流充電四個(gè)局部組成。其流程如圖6所示。4.1、初始化在程序的初始階段應(yīng)首先對(duì)MC68HC908SR12單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，包括設(shè)置I/O端口的輸入輸出狀態(tài)，設(shè)置PLL鎖相環(huán)電路參數(shù)，設(shè)置TIM定時(shí)器參數(shù)等等。4.2、預(yù)處理預(yù)處理階段是進(jìn)入快速充電前的準(zhǔn)備工作。程序初始化后，首先利用MC68HC908SR12單片機(jī)的內(nèi)部溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，均不能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電，否那么將損傷電池。例如：鋰離子電池〔Li+〕的適宜充電溫度范圍在2.5°C?50°C之間。然后，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測(cè)電池的端電壓。將檢測(cè)數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗(yàn)值比擬，判斷電池的類別以及是否連接正確。對(duì)端電壓低的電池，采用短時(shí)間的脈動(dòng)電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反響物質(zhì)，局部恢復(fù)受損的電池單元。對(duì)端電壓在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池選擇相應(yīng)的充電控制模塊和算法，對(duì)端電壓不在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池，軟件自動(dòng)將其剔除。4.3、快速充電按預(yù)定的充電控制模塊和算法設(shè)置MC68HC908SR12單片機(jī)PWM的控制存放器PWMCR、時(shí)鐘存放器PWMCCR以及數(shù)據(jù)存放器PWMDR0?PWMDR2，翻開(kāi)中斷使能位，開(kāi)始快速充電?？焖俪潆姇r(shí)，MC68HC908SR12單片機(jī)必須不斷檢測(cè)以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否到達(dá)規(guī)定的平安電壓、電池是否溫度過(guò)高、電池是否滿足-△V或厶T/△t條件。其中電池的斷路主要通過(guò)檢測(cè)采樣電阻Rsense上的電流大小來(lái)判斷。而且為了防止誤判斷，應(yīng)該反復(fù)檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)斷路時(shí)，應(yīng)重新返回預(yù)處理階段。斷路的判斷時(shí)機(jī)應(yīng)該在電池端電壓已經(jīng)到達(dá)預(yù)定值的情況下進(jìn)行，否那么在電池端電壓沒(méi)有到達(dá)預(yù)定值的情況下，充電電流比擬小，可能出現(xiàn)誤判斷。均衡充電是本智能充電器的另一個(gè)重要特點(diǎn)。在充電的過(guò)程中，由于電池的質(zhì)量不相同，容量小、質(zhì)量差的電池端電壓在充入相同電量后會(huì)出現(xiàn)電壓增長(zhǎng)比另一個(gè)電池多的情況，如果不采取措施，它們的電壓差將會(huì)增大，以至其中一個(gè)電池很快到達(dá)規(guī)定的平安電壓，充電過(guò)程也將被迫停止。此時(shí)應(yīng)該停充電壓高的電池，即均衡充電。這樣有利于恢復(fù)電池內(nèi)受損的單元，使充電過(guò)程能順利地進(jìn)行下去。電池的端電壓檢測(cè)使用MC68HC908SR12單片機(jī)的片上10位高精度A/D模塊，采用中斷控制方式，這樣可節(jié)省MC68HC908SR12單片機(jī)在A/D轉(zhuǎn)換期間的等待時(shí)間。端電壓檢測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)充電算法計(jì)算電池的電壓負(fù)增長(zhǎng)-△V是否滿足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改MC68HC908SR12單片機(jī)PWM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。電池的溫度檢測(cè)在端電壓檢測(cè)之后進(jìn)行。MC68HC908SR12單片機(jī)通過(guò)設(shè)置不同的地址編碼〔A1A0〕，訪問(wèn)相應(yīng)的數(shù)字溫度傳感器LM92，讀取溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)充電算法計(jì)算電池的溫度變化率