使用C8051F310器件設計鋰離子電池充電器

0 引言

C8051F310是一款完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片。它具有高速、流水線(xiàn)結構且與8051兼容的CIP-51內核，工作頻率可達25MIP-S，片內有全速、非侵入式系統調試接口。此外，此單片機還帶有模擬多路器、真正的10位、200ksps的25通道單端/差分ADC。其片內RAM為1280字節。C8051F310內含4個(gè)通用的16位定時(shí)器、高精度可編程的25 MHz的內部振蕩器振蕩器振蕩器是收發(fā)設備的基礎電路，它的作用是產(chǎn)生一定頻率的交流信號，是一種能量轉換裝置——將直流電能轉換為具有一定頻率的交流電能。

本文討論使用C8051F310器件設計鋰離子電池充電器。利用PWM脈寬調制產(chǎn)生可用軟件控制的充電電源，以適應不同階段的充電電流的要求。溫度傳感器對電池溫度進(jìn)行監測，并通過(guò)AD轉換和相關(guān)計算檢測電池充電電壓和電流，以判斷電池到達哪個(gè)階段。使電池具有更長(cháng)的使用壽命。

設計過(guò)程

1 充電原理

電池的特性唯一地決定其安全性能和充電的效率。電池的最佳充電方法是由電池的化學(xué)成分決定的(鋰離子、鎳氫、鎳鎘還是SLA電池等)。盡管如此，大多數充電方案都包含下面的三個(gè)階段：

低電流調節階段

恒流階段

恒壓階段/充電終止

所有電池都是通過(guò)向自身傳輸電能的方法進(jìn)行充電的，一節電池的最大充電電流取決于電池的額定容量(C)例如，一節容量為1000mAh的電池在充電電流為1000mA時(shí)，可以充電1C(電池容量的1倍)也可以用1/50C(20mA)或更低的電流給電池充電。

現在使用的大多數充電器在給電池充電時(shí)都是既使用低電流充電方式又使用額定充電電流的方法，即容積充電，低充電電流通常使用在充電的初始階段。在這一階段，需要將會(huì )導致充電過(guò)程終止的芯片初期的自熱效應減小到最低程度，容積充電通常用在充電的中級階段，電池的大部分能量都是在這一階段存儲的。

充電時(shí)部分電能被轉換成熱能，直至電池充滿(mǎn)。而充滿(mǎn)后，所有的電能將全部被轉換成熱能。如果此時(shí)不終止充電，電池就會(huì )被損壞或燒毀?？焖俪潆娖麟姵貏t可以解決這個(gè)問(wèn)題，因為這些充電器是使用高充電電流來(lái)縮短充電時(shí)間的。

2 總體設計

充電電路由三部分：控制部分，檢測部分及充電部分組成。

如圖1所示，采用F310單片機進(jìn)行充電控制，單片機本身具有脈寬調制PWM型開(kāi)關(guān)穩壓電源所需的全部功能，具有10位A/D轉換器。

利用單片機A/D端口，構成電池電壓，電流，溫度檢測電路。

圖1 鋰離子電池充電模塊圖

單片機通過(guò)電壓反饋和電流反饋信號，直接利用PWM輸出將數字電壓信號并轉化成模擬電壓信號，能夠保證控制精度。

3 控制部分電路設計

C8051F310單片機

①模擬外設

a.10位ADC：轉換速度可達200ks/s,可多達21或17個(gè)外部單端或差分輸入，VREF可在外部引腳或VDD中選擇，內置溫度傳感器(±3℃)，外部轉換啟動(dòng)輸入;

b.兩個(gè)模擬比較器：可編程回差電壓和響應時(shí)間，可配置為中斷或復位源，小電流(〈0.5μA)。

②供電電壓

a.典型工作電流：5mA、25MHz;

b.典型停機電流：0.1μA;

c.溫度范圍：-40～+85℃。

③高速8051微控制器內核

a.流水線(xiàn)指令結構：70%的指令的執行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統時(shí)鐘周期;

b.速度可達25MI/s(時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí));

c.擴展的中斷系統。

④數字外設

a.29/25個(gè)端口I/O：所有的口線(xiàn)均耐5V電壓;

b.4個(gè)通用16位計數器/定時(shí)器;

c.16位可編程計數器/定時(shí)器陣列(PCA)，有5個(gè)捕捉/比較模塊;

d.使用PCA或定時(shí)器和外部時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘方式。

控制電路中如圖2所示，P0.3口提供充電電源，P0.6口檢測充電電壓的大小，P0.5口檢測充電電流的大小，P0.4口檢測電池的溫度。

圖2 控制電路接線(xiàn)圖