【正文】 ...................................................................................................49 實(shí)物圖 ........................................................................................................................50 I 摘 要 電子技術(shù)的飛 速發(fā)展使得各種各樣的電子產(chǎn)品都朝著便攜式和小型輕量化的方向發(fā)展，也使得更多的電子 產(chǎn)品采用基于電池 的供電系統(tǒng)。目前，較多使用的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池， 它們的各自特點(diǎn)決定了它們將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)共存 與 發(fā)展。 本設(shè)計(jì)以單片機(jī) STC89C52 為控制核心，系統(tǒng)由指示燈電路、 液晶顯示電路 、保護(hù)電路、 精確基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路 、 環(huán)境溫度采樣電路 和開關(guān)控制電路組成。本文對(duì)鋰離子電 池的參數(shù)特性、充電原理與充電方法進(jìn)行了詳盡的描述，并提出了充電模塊 的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞 ： 鋰電池 STC89C52 指示燈電路 液晶顯示電路 保護(hù)電路 精確基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路 環(huán)境溫度采樣電路 II Abstract Electronic technology39。 STC89C52。 The liquid crystal display circuit。 The precision reference voltage generating circuit。 1 引 言 隨著社會(huì)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品小型化、便攜化也使得充電電池越來越重要，鋰離子電池有較高的比能量，放電曲線平穩(wěn)，自放電率低，循環(huán)壽命長(zhǎng)，具有良好的充放電性能，可隨充隨放、快充深放，無記憶效應(yīng)，不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無污染，被稱為綠色電池。鋰電池充電器是為鋰離子充電電池補(bǔ)充能源的靜止變流裝置，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)用電系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。該方案設(shè)計(jì)靈活，可滿足多種型號(hào)的鋰電池充電需求 。正是鋰離子電池在各個(gè)領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)了對(duì)鋰離子電池充電器的研究。有的還具有 LED充電狀態(tài)顯示、低噪聲、模擬微電腦控制系統(tǒng)等特點(diǎn)。其要求的充電方式是恒流恒壓方式，為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會(huì)造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度（精度高于 1‰ ）。 鋰電池充電特性 鋰電池充電需要控制它的充電電 壓，限制其充電電流。鋰電池的充電電流通常應(yīng)限制在1C(C 為鋰電池的容量 )以 下，單體充電電壓一般為 4． 2V，否則可能由于電 壓 過高造成 鋰 電池永久性損壞。在恒流階段，充電器先給電池提供大的恒定電流，同時(shí)電池電壓上升，當(dāng) 電 池電壓達(dá) 到飽和電壓 時(shí) ，則轉(zhuǎn)入 恒 壓充電，充電電壓波動(dòng)應(yīng)控制在 50mv以內(nèi)，同時(shí)充電電流降低， 當(dāng)電流逐漸減小到規(guī)定的值時(shí)，可結(jié)束充電過程。 由此 可知，充電器實(shí)際上是一個(gè)精密電源，其電流電壓都被限制在所要求的范圍之內(nèi)。 微處理器選擇 STC8952 單片機(jī)； 電流檢測(cè)由 INA168 集成電 流檢測(cè)芯片完成，并將檢測(cè)結(jié)果送到微處理器 IO 口， 通過 PI 算法程序控制反饋電路使得輸出電路電流維持在 2A， LCD1602 液晶顯示電路電流大小 ； 輸出電壓檢測(cè)經(jīng)過分壓電阻送 到 STC8952 單片機(jī)自帶的 10 位 AD 轉(zhuǎn)換 IO 口，經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送到 P0 口， 并 在液晶上顯示電壓大小。過壓保護(hù)是在鋰電池電量充滿 ，電池兩端 電壓超過額定電壓時(shí)控制電源芯片 0N/0FF 引腳使電源停止工作， 進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)停止充電；過溫保護(hù)由 NTC（負(fù)溫度系數(shù)） 溫度傳感器 執(zhí)行， 電池溫度超過 60 ℃ 時(shí)停止充 。 LM2576ADJ 輸入電壓在 7 V～ 40 V， FeedBack 引腳電壓恒定 V，輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)，電路設(shè)計(jì)和控制簡(jiǎn)單。 方案比較：方案一 LM2576ADJ 集成電源芯片，可直接構(gòu)成 BUCK 電路，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，輸出電流容易控制，工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)普通 BUCK 電路參數(shù)。大多數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管需要外加驅(qū)動(dòng)電路， PWM 輸入要求 有穩(wěn)定的占空比，最終設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)電路各個(gè)反面設(shè)計(jì)都有一定的要求。 電流控制 方案一：用 STC12C5A60S2 兩路 AD 轉(zhuǎn)換器采集采樣電阻兩端電壓值，最終得到采樣電阻兩端電壓，利用公式 I=U/R 計(jì)算得到電路中電流大小，通過計(jì)算測(cè)得的電流值與設(shè)定電流值大小比較，判斷比較結(jié)果由程序控制完成對(duì)電路電流 4 控制參數(shù)補(bǔ)償使 電流輸出 恒定為 2A。 方案比較：方案一，采樣電阻兩端電壓太小， AD 采樣最終得到的檢測(cè)電流不理想，普通的補(bǔ)償控制達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因此系 統(tǒng)中電流控制選擇方 案二。 理論分析與計(jì)算 輸出電流分析與計(jì)算 LM2576ADJ 能構(gòu)成易于調(diào)節(jié)和控制的 BUCK 電路。由該引腳和運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋回路能 通過編程實(shí)現(xiàn)電路恒定電流 輸出。系統(tǒng)要求輸出電流大小為 A，計(jì) 算可得 Rav 的取值為 K， 選擇合適的編程 求出 電阻 R1 和 R2 的值 。通過開關(guān)管的開通和 斷 開，在儲(chǔ)能元件的作用下 實(shí)現(xiàn)降壓。 圖 22 7 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 BUCK 降壓電路由集成芯片 LM2576ADJ、電感、電容 構(gòu)成 。 ○ 1 輸入電容 C5 分析、計(jì)算與選擇 防止電壓瞬變?cè)谳斎胫?影響轉(zhuǎn) 換器 穩(wěn)定 運(yùn)行，鋁或鉭電解電容之間需要輸入引腳 + VIN 和接地引腳 GND， 該電容應(yīng)位于靠近 IC 且 使用短引線。 ○ 2 續(xù)流二極管 D3 的分析、計(jì)算與選擇 由于二極管的最大峰值電流超過最大負(fù)荷調(diào)節(jié)電流 ， 鉗 位二極管 電流等級(jí)必須 為 至少 倍的最大負(fù)載電流。 .二極管的反向電壓等級(jí)應(yīng)至少 倍的最大輸入電壓。 ○ 3 電感 L1 的分析、計(jì)算與選擇 由 以下公式可 計(jì)算電感 （公式 2） E X T=（ Vin Vout） Vout/Vin x 106 / F[Hz] 計(jì)算出的 E X T 值 與相應(yīng)的匹配對(duì)電感值的選擇垂直軸數(shù) 如 圖 24 所示。 圖 23 Vin OUTGNDFBON/OFFLM2576U2+1000uFC5+1000uFC6D31N5822150uHL1GNDVinFBconstant current powerON/OFF470R13R14Q08050 8 下一步是確定區(qū)域分割的電感 E X T 值和對(duì)負(fù)載電流最大值。然后 從表 1 中 選擇一個(gè)合適的電感 。 電感電流額定值可 計(jì)算電感的峰值電流： （公式 3） Ip（ max） =ILode（ max） +(VinVout)ton/2L Ton 為電源開關(guān)時(shí)間 ： （公式 4） Ton= Vout/ Vin 1/fosc Inductor Code Inductor Value The 39 Shott Corp Pulse Eng Renco L47 47 uH 77 212 671 26980 PE53112 RL2442 L68 68 uH 77 262 671 26990 PE92114 RL2443 L100 100 uH 77 312 671 27000 PE92108 RL2444 L150 150 uH 77 360 671 27010 PE53113 RL1954 L220 220 uH 77 408 671 27020 PE52626 RL1953 最后分析計(jì)算電路中取 150 uH 的工字形電感。電路中有電感、續(xù)流二極管、電容和 LM2576ADJ 造成 以發(fā)熱的形式為主的 功率損耗。 圖 24 表 1 電感的電感值代碼 9 NTC 負(fù)溫度系數(shù)電阻 計(jì) 算 熱敏電阻的電阻－溫度特性可近似地用 公 式 5 表示。C。此處，若將 公 式 5 中的 B 值用 公 式 6 所示的作為溫度的函數(shù)計(jì)算時(shí)，則可降低與實(shí)測(cè)值之間的誤差，可認(rèn)為近似相等。另外，因生產(chǎn)條件不同造成的 B值的波動(dòng)會(huì)引起常數(shù) E發(fā)生變化，但常數(shù) C、 D 不變。 常數(shù) C、 D、 E的計(jì)算 ： （ 公 式 7） ToTnRoRnInBn 11 )/(?? （ 公 式 8） )31)(32)(21( )21)(32()32)(21( TTTTTT TTBBTTBBC ??? ?????? （ 公 式 9） 21 )21)(21(21 TT TTTTCBBD ? ????? （ 公 式 10） 1111 TCTDTDE ???? 常數(shù) C、 D、 E 可由 圖 25 的 (溫度、電阻值 )數(shù)據(jù) (T0, R0). (T1, R1). (T2, R2) and (T3, R3)，通過式 7～ 10 計(jì)算。 電阻值計(jì)算 實(shí) 例 ： 試根據(jù)電阻－溫度特性表，求 25176。C ～ 30176。 R 溫度 T(K)時(shí)的電阻值 Ro 溫度 T0(K)時(shí)的電阻值 B 溫度 T0(K)時(shí)的電阻值 *T(K)= t(186。 To=25+ T1=10+ T2=20+ T3=30+ ○ 2 代入 BT=CT2+DT+E+50，求 BT。 *T = 10+～ 30+ 電阻－溫度特性圖如圖 25 所示 電阻溫度系數(shù) ： 所謂電阻溫度系數(shù) (α)，是指在 任意溫度下溫度變化 1176。電阻溫度系數(shù) (α)與 B 值的關(guān)系，可將式 11 微分得到。經(jīng)過時(shí)間與熱敏電阻溫度變化率的關(guān)系如下表所示。 表 4 熱敏電阻 典型值 另外應(yīng)注意，散熱系數(shù)、熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)隨環(huán)境溫度、組裝條件而變化。C 至 25 176。C 所需時(shí)間。 12 3 電路工作原理 系統(tǒng)供電部分 系統(tǒng) BUCK 降壓電路輸入電壓為 10 V～ 25 V， STC12C5A60S2 單片機(jī)、LCD1602 液晶顯示等部分使用 5 V 電壓供電。 LM7805 是常用的三端穩(wěn)壓器，一般使用的是 TO220 封裝，能提供 5 V 的輸出電壓，內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路。 BUCK 降壓電路 BUCK 電路基本結(jié)構(gòu) 如下： 主要組成元件包括開關(guān) 元件、儲(chǔ)能元件、續(xù)流二極管。 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)等效電路 如圖 32 所示， 開關(guān)關(guān)斷時(shí)等效電路 如圖 33所示 。 ○ 2 電路工作頻率高，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波 ur(t) 很小，相對(duì)于電容上輸出的直流電壓 Uo 有： |ur（ t） |0 電容上電壓可以看作恒定 。 ○ 3 一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充 、 放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充 、 放電平衡，最終維持電壓不變。 ○ 4 開關(guān) 開通 時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開關(guān) 關(guān)斷 時(shí)，電感電流減小，電感釋能。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。 系統(tǒng)設(shè) 計(jì)中選用 LM2576ADJ 集成芯片構(gòu)成 BUCK 電路。使用 LM2576ADJ 集成芯片組成 BUCK 電路使 整個(gè)電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，輸出電流電壓易于控制。 續(xù)流二極管 IN5822 具有正向電流大，反向電壓高等特點(diǎn) 。運(yùn)算放大器同相端電壓為采樣電阻上 的 分壓，反相端反饋電阻采用可編程數(shù) 字 電位器。 TPL0501 是一個(gè)單通道、具有 256 個(gè)雨刷器位置的線性電阻分布的數(shù)字電位器， 可被用作 3終端電位器或作為 2終端可變電阻器。 TPL0501 使用三線 SPI 兼容的串行數(shù)據(jù)接 口。驅(qū)動(dòng)器 CS 為低電平 串行接口，時(shí)鐘數(shù)據(jù)同步到 SCLK 的上升沿移位寄存器。把 CS 低在整個(gè)串行數(shù)據(jù)流，以避免數(shù)據(jù)損壞 。輸出端與負(fù)載串聯(lián)了一個(gè) （誤差 %）采樣電阻，輸出電流就是流過采樣電阻的電流。 INA168 將待檢測(cè)電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出。 STC12C5A60S2 單片機(jī)的 AD 轉(zhuǎn)換口在 P1 口，有 8 路 10 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換251 11111011 252 11111100 253 11111101 254 11111110 255 11111111 18 器，速度可達(dá)到 250 KHz。上電復(fù)位后 P1 口為弱上拉型 IO 口。 STC12C5A602 單片機(jī)的 ADC 是逐次比較型 ADC， 逐次比較型 ADC 由一個(gè)比較器和 D/A 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位（ MSB）開始，順序的對(duì)每一