采用單片機和充電集成電路進(jìn)行充電器的設計

1 蓄電池的特點(diǎn)

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(wèn)題和對電池的要求越來(lái)越高等綜合因素，推動(dòng)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(shí)間大電流的應用場(chǎng)合很具吸引力。但鎳鉻電池如果未經(jīng)充分放電又進(jìn)行充電，或者長(cháng)時(shí)間處于小電流放電狀態(tài)，就會(huì )產(chǎn)生枝狀晶體，引起“記憶效應”，從而導致電池內阻變大，容量變小，縮短了電池壽命。如果在充電前進(jìn)行完全放電，使每節電池的電壓降到1.0V左右，就能消除引起“記憶效應”的枝狀晶體，恢復電池的性能。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(cháng)時(shí)間保持電池容量的場(chǎng)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(jìn)行充電，可采用快速、標準或者涓流的方式進(jìn)行充電。它們都能以超過(guò)2C(C為電池容量，單位為安培)的速率進(jìn)行充電(但一般采用C/2速率)。由于存在內部損耗，充電效率一般小于100%，所以，在采用C/2的速率充電時(shí)，通常需要兩個(gè)多小時(shí)才能把電池充滿(mǎn)。充電過(guò)程中的損耗隨著(zhù)充電速率和電池的不同而不同。在恒流充電時(shí)，電池電壓會(huì )緩慢達到峰值(ΔV/Δt變?yōu)?)，鎳氫電池需在這個(gè)峰值點(diǎn)終止快速充電，鎳鉻電池的充電須在峰值點(diǎn)后當電池電壓開(kāi)始下降時(shí)(ΔV/Δt變?yōu)樨?即終止快速充電，否則會(huì )導致電池內壓力和溫度上升而損壞電池。當充電速率大于C/2時(shí)，則要監測電池的電壓和溫度，因為當電池快充滿(mǎn)時(shí)，電池的溫度會(huì )急劇上升。對于鎳鉻電池和鎳氫電池，還可以采用比較簡(jiǎn)便的涓流充電，這時(shí)只會(huì )造成極小的溫升，不會(huì )損壞電池，也就無(wú)需終止涓流充電或者監測電池的電壓。允許的最大涓流隨著(zhù)電池類(lèi)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(guò)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(lái)衡量，鋰離子電池比鎳氫電池高出10%～30%，從容量/質(zhì)量比來(lái)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(guò)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(guò)高的電壓和過(guò)大的充電或放電電流又會(huì )造成電池的永久性損壞。如果多次放電至過(guò)低的電壓則會(huì )造成容量損失，所以，充電和放電時(shí)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(shí)需用一個(gè)電壓—電流源來(lái)進(jìn)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?？焖俪潆婇_(kāi)始時(shí)，電池的電壓比較低，充電電流即為電流極限。隨著(zhù)充電的進(jìn)行，電池電壓緩慢上升，最終當每節電池達到浮空電壓 4.2V時(shí)，此時(shí)即可終止充電。

2　總體設計

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(jìn)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節回路補償端。7腳ISET和6腳VSET分別為充電電流和電壓回路設定端。8腳OFFV為電壓調節回路控制端，對于鎳基電池置為高電平。當VL端電壓低于3V時(shí)，9腳PWROK輸出低電平，可給MCU提供復位信號。10腳CELL2為鋰離子電池選擇端，低電平時(shí)為一節，高電平時(shí)為兩節。11腳ON為充電控制端，低電平時(shí)停止充電。12腳BATT端接電池正極。13腳CS+和14腳CS-為內部電流檢測放大器輸入端。16腳DRV為外部調節晶體管驅動(dòng)端。2.2 硬件設計

充電器硬件結構圖如圖2所示。整個(gè)系統以MCU為核心構成，包括電源電路、調節電路、充電與放電電路、鍵盤(pán)與顯示電路及報警電路等環(huán)節。

MCU選用AT89C51，片內帶4K的EEPROM，這樣就無(wú)需擴展程序存儲器，簡(jiǎn)化了電路設計。電源回路中，220V的交流電經(jīng)變壓器降為 12V，經(jīng)過(guò)整流濾波變?yōu)?4V左右，作為MAX846A的充電電源，另外經(jīng)7805穩壓后作為其他電路單元的工作電源。調節電路主要由A/D和D/A構成，用于檢測電池的電壓和溫度及設置電池的浮空電壓和充電電流。充電電路以MAX846A為中心，完成