基于LM3S1138的電能收集充電器的設(shè)計(jì)

本文針對(duì)鋰離子可充電池的充放電特性及實(shí)際使用中的需求，利用新型的嵌入式芯片LM3S1138為主控制器，在鋰離子電池充電的過(guò)程中，進(jìn)行智能控制，嚴(yán)格控制充電電流、電壓、溫度等物理參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、節(jié)能化的特點(diǎn)。

1 電能收集充電器硬件設(shè)計(jì)

電能收集充電器的硬件設(shè)計(jì)，主要包括直流電源、電源變換器、EasyARM1138、PWM發(fā)生器、采樣電路、可充電池等部分的設(shè)計(jì)與整合，形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。其電路模塊如圖1所示。



1.1 EasyARM1138嵌入式微處理器

EasyARM1138嵌入式微處理器采用了Luminary Micro公司Stellaris系列基于Cortex-M3內(nèi)核的LM3S1138芯片，該芯片包含一個(gè)低壓降的穩(wěn)壓器，集成的掉電復(fù)位和上電復(fù)位功能，仿真比較器，10 bit的ADC，SSI，GPIO，看門(mén)狗和通用定時(shí)器，UART，I2C及運(yùn)動(dòng)控制的PWM等各種豐富的外設(shè)功能，可直接通向GPIO管腳，不需要特性的復(fù)用。非常適合用作智能型充電器的控制單元。

EasyARM1138的任務(wù)是從采樣電路處實(shí)時(shí)采集電池的充電狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算決定下一階段的充電電流，并產(chǎn)生合適的PWM信號(hào)來(lái)控制充電電流；通過(guò)UART、LCD來(lái)實(shí)時(shí)地傳輸和顯示采樣數(shù)據(jù)，采集的電池參數(shù)不正常時(shí)，可以產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

1.2 電源變換和控制電路

1.2.1 BUCK電源變換電路

在電能收集過(guò)程中，充電器通過(guò)控制電壓或者電流來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的充電策略。設(shè)計(jì)采用容易控制的、效率高的BUCK變換器。BUCK變換器是用EasyARM1138產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制的，通過(guò)控制PWM的占空比，來(lái)控制開(kāi)關(guān)管Q2輸出電壓或者電流。BUCK變換電路如圖2所示。



Vi、Vo分別為輸入輸出電壓，D1是續(xù)流二極管。BUCK變換器的工作原理：當(dāng)PWM輸出高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電流通過(guò)晶體管和電感到電池。在這一階段，電感吸收能量，電容被充電。當(dāng)PWM輸出低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電流經(jīng)二極管D1續(xù)流，電感兩端的電壓反向，電流由二極管提供。電感和電容作為濾波器輸出電壓和電流。

1.2.2 PWM發(fā)生器

PWM發(fā)生器集成在EasyARM1138系統(tǒng)中，利用定時(shí)器(Timer)模塊的16 bit PWM功能來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)。在PWM模式中，TimerA或TimerB配置為16 bit元元元的遞減計(jì)數(shù)器，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)难b載值(決定PWM周期)和匹配值(決定PWM占空比)來(lái)自動(dòng)產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，并從相應(yīng)的CCP管腳輸出。

本方法的基本思想是利用EasyARM1138所具有的PWM(CCP)管口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過(guò)軟件的方法調(diào)整PWM控制寄存器來(lái)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，處理器先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實(shí)際讀取到的充電電流進(jìn)行比較。若實(shí)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(shí)際電流偏大，則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。在軟件PWM的調(diào)整過(guò)程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。

1.3 采樣電路

采樣包括對(duì)充電電流和充電電池端電壓的采樣。采樣的電壓和電流經(jīng)EasyARM1138中的1個(gè)集成的10 bit ADC模塊送到LM3S1138控制芯片中，LM3S1138對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與保存。ADC模塊支持8個(gè)輸入通道，輸出最大誤差為±3 mV，±3.3 V電源供電，并含有4個(gè)可編程的序列發(fā)生器，這些序列發(fā)生器可在無(wú)需控制器干涉的情況下對(duì)多個(gè)模擬輸入源進(jìn)行采樣。電流與電壓采樣原理圖如圖3所示。