基于AVR的鋰電池智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　鋰電池閑其比能量高、自放電小等優(yōu)點(diǎn)，成為便攜式電子設(shè)備的理想電源。近年來(lái)，隨著筆記本電腦、PDA，無(wú)繩電話(huà)等大功耗大容量便攜式電子產(chǎn)品的普及，其對(duì)電源系統(tǒng)的要求也日益提高。為此，研發(fā)性能穩(wěn)定、安全可靠、高效經(jīng)濟(jì)的鋰電池充電器顯得尤為重要。

　　本文在綜合考慮電池安全充電的成本、設(shè)計(jì)散率及重要性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于ATtiny261單片機(jī)PWM控制的單片開(kāi)關(guān)電源式鋰電池充電器，有效地克服了一般充電器過(guò)充電、充電不足、效率低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池組的智能充電，達(dá)到了預(yù)期效果。該方案設(shè)計(jì)靈活，可滿(mǎn)足多種型號(hào)的鋰電池充電需求，且ATtiny261集成化的閃存使其便于軟件調(diào)試與升級(jí)。

　　2 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。鋰電池通常都采用三段充電法，即預(yù)充電、恒流寬電和恒壓充電。鋰電池的充電電流通常應(yīng)限制在1C(C為鋰電池的容量)一下，單體充電電壓一般為4.2V，否則可能由于電聰過(guò)高會(huì)造成鍵電池永久性損壞。

　　預(yù)充電主要是完成對(duì)過(guò)放的鋰電池進(jìn)行修復(fù)，若電池電壓低于3V，則必須進(jìn)行預(yù)充電，否剛可省略該階段。這也是最普遍的情況。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)魄池電壓達(dá)到飽和電壓對(duì)，則轉(zhuǎn)入憾壓充電，充電電壓波動(dòng)應(yīng)控制在50mV以?xún)?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(guò)程。電池的大部分電能在慣流及恒壓階段從充電器流入電池。曲上可知，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)。

　　3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)上主要由單片開(kāi)關(guān)電源、控制電路及保護(hù)電路三部分組成。

　　3.1單片開(kāi)關(guān)電源

　　單片開(kāi)關(guān)電源負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化為電池充電所需要的形式，構(gòu)成了充電器的主要功率轉(zhuǎn)換方式。與傳統(tǒng)線(xiàn)性充電器大損耗、低效率的缺點(diǎn)相比，由美國(guó) Power Integrations公司的TNY268P構(gòu)成的單片開(kāi)關(guān)電源，其輸入電壓范圍寬(85265VAC)、體積小、重量輕、效率高，其有調(diào)壓、限流、過(guò)熱保護(hù)等功能，特別適合于構(gòu)成充電電源。其原理圖如圖1所示。

　　圖1單片開(kāi)關(guān)電源

　　該電源采用配穩(wěn)壓管的光藕反饋電路實(shí)現(xiàn)15V的低壓直流輸出，當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)線(xiàn)性光藕PC817的發(fā)光管的電流發(fā)生相應(yīng)的變化，使得 TNY268P的EN腳流出電流也發(fā)生變化，從而控制其片內(nèi)功率MOSFET的斷、通、調(diào)節(jié)輸出電壓，使輸壓電壓穩(wěn)定。具體反饋原理分析詳見(jiàn)后文脈寬調(diào)制 (PWM)的控制。

　　在電路結(jié)構(gòu)上，線(xiàn)性光藕PC817，不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可起到隔離作用。由PNP管Q2和電阻R9、R1O及R12組成的限流電路，則從源頭上防止了過(guò)電流的問(wèn)題。由C6及R11構(gòu)成的緩啟電路，則有效抑止了電源上電瞬間的產(chǎn)生的電壓尖峰。而二極管D9則防止了電池組的反向放電。此外，對(duì)整個(gè)充電系統(tǒng)而言，當(dāng)因意外情況系統(tǒng)失控時(shí)，開(kāi)關(guān)電源所提供的15V直流低壓也在某種程度上起到了限制其最高電壓的作用。

　　3.2控制電路

　　單片機(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括充電電流電壓值的設(shè)定，電流電壓的檢測(cè)與調(diào)整，充放電狀態(tài)的顯示等。與專(zhuān)用充電控制芯片相比，單片機(jī)控制系統(tǒng)不僅不受電池組容量大小的阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行的，因此其PWM控制調(diào)整過(guò)程與恒限制，還可通過(guò)軟硬件配合實(shí)現(xiàn)更靈活的綜合控制，也便于進(jìn)一步的后續(xù)開(kāi)發(fā)。

　　系統(tǒng)控制選用Atmel公司的AVRATtiny261來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制框圖見(jiàn)圖2。ATtiny261采用AVR RISC結(jié)構(gòu)，其大部分指令執(zhí)行時(shí)間僅為1個(gè)時(shí)鐘周期.可達(dá)到接近1MIPS/MHZ的性能;11路lObitADC。且15對(duì)具有可編程增益的ADC差分通道，精度高達(dá)2.5mV的內(nèi)置2.56V基準(zhǔn)源，3個(gè)獨(dú)立PWM發(fā)生器，片上溫度傳感器，足以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

　　圖2系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

　　3.2.1志愿檢測(cè)

　　系統(tǒng)電壓采樣采用精密電阻分壓方法，將測(cè)量電壓范圍轉(zhuǎn)換成0-2.56V，然后通過(guò)1倍的差分ADC通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在充電過(guò)程中將測(cè)得的電壓值與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，再控制調(diào)整PWM占空比完成對(duì)充電電壓的控制與調(diào)節(jié)。

　　3.2.2電流檢測(cè)

　　在系統(tǒng)電流的榆測(cè)上，由于選用ATtiny261的ADC差分通道，這就要求其正端輸入電壓必須大予負(fù)端輸入電壓。困此，在電路設(shè)計(jì)上，通過(guò)串聯(lián)在電流主回路中的高精度采樣電阻RsenseB和RsenseA，經(jīng)ADC2-ADCl和ADCl-ADC0兩對(duì)32倍的ADC差分通道(參見(jiàn)圖3)，分別完成對(duì)充、放電電流的檢測(cè)?？梢?jiàn)，差分ADC的選用，既保證了電流采樣的精準(zhǔn)，又避免了因電路中引入差分遠(yuǎn)放所帶來(lái)的功率損耗問(wèn)題，很好的滿(mǎn)足了系統(tǒng)性能與功耗兩方面的要求，充分體現(xiàn)了ATtiny261的優(yōu)勢(shì)。

　　圖3電池保護(hù)電路

　　3.2.3溫度檢測(cè)

　　溫度檢測(cè)確保了安全充電步驟的執(zhí)行。系統(tǒng)中使用ATtiny261的毖上濕度傳感器，通過(guò)ADCIl進(jìn)行溫度檢測(cè)。測(cè)量電壓與溫度基本成線(xiàn)性關(guān)系，約lmv/°C的精度可提供充分精度的溫度測(cè)量。如欲獲得更高精度的溫度檢測(cè)，可通過(guò)軟件寫(xiě)入校準(zhǔn)值的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　3。2。4 PWM控制

　　設(shè)計(jì)中，在前述穩(wěn)壓管反饋控制的摹礎(chǔ)上，在反饋環(huán)節(jié)中引入PWM的方法控制充電。其基本控制思想是利用單片機(jī)的PWM端口，在不改變PWM波周期的前提下，通過(guò)電流及電壓的反饋，用軟件的方法調(diào)整PWM占空比，從而使電流或電壓按預(yù)定的充電流程進(jìn)行。

　　因系統(tǒng)進(jìn)入充電工作狀態(tài)后，受鋰電池終止充電電壓的限制，其最高電壓不得高于12.7V，所以開(kāi)關(guān)電源中的穩(wěn)壓管Zl始終處于截止?fàn)顟B(tài)，充電過(guò)程完全由PWM的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。以恒壓充電為例，在充電電壓調(diào)整之前，單片機(jī)先快速讀取充電電壓檢測(cè)值，然后將設(shè)定的電壓值與實(shí)際讀取值進(jìn)行比較，若實(shí)際電壓偏高，則提高PWM占空比，使線(xiàn)性光耦PC817的發(fā)光二極管的電流1F增大，致使TNY268的EN腳置為低電平，其片內(nèi)功率MOSFET關(guān)斷，輸出電壓降低。反之，則降低PWM占空比->IF減小->EN腳為高電平，片內(nèi)功率MOSFET接通，輸出電壓升高。在預(yù)充電，恒流充電階段對(duì)電流的調(diào)整，是通過(guò)采樣電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行的，因此其PWM控制調(diào)整過(guò)程與恒壓階段完全類(lèi)似。當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，PWM持續(xù)輸出占空比為1的高電平，關(guān)斷 TNY268P的片內(nèi)MOSFET，中斷功率轉(zhuǎn)換回路，實(shí)現(xiàn)充滿(mǎn)后自動(dòng)停充。

　　為保證采樣的準(zhǔn)確，盡量避免由于ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的波紋干擾，所有采樣點(diǎn)都經(jīng)過(guò)阻容濾波處理，并在軟件PWM的調(diào)整過(guò)程中采用了數(shù)字濾波技術(shù)。

　　3.2.5 按鍵與顯示

　　充電器的功能按鍵響應(yīng)由ATtiny261的外中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，與LED顯示相配合可獲知池放電狀況，并提醒系統(tǒng)即將終止。系統(tǒng)充放電的每個(gè)狀態(tài)都與相應(yīng)LED顯示對(duì)應(yīng)。可根據(jù)電壓檢測(cè)判斷是否有電池裝入及提供電池短路保護(hù)，并給出LED報(bào)警信號(hào)。

　　3.3保護(hù)電路

　　由于鋰電池的化學(xué)特性，在使用過(guò)程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)。但在菜蝗條件下.如對(duì)其過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，該副反應(yīng)加劇則會(huì)嚴(yán)重影響鋰電池的性能與使用壽命，甚至?xí)鸨ǘ鴮?dǎo)致安全問(wèn)題，因此鋰電池保護(hù)電路顯得至為重要。

　　如圖3所示，該電路選用精工的多節(jié)鋰電池保護(hù)芯片S8233構(gòu)成，可對(duì)電池電壓和回路電流進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并通過(guò)對(duì)MOS管FET-A或FET-B的控制在某些條件下關(guān)斷究、放電回路以防止對(duì)電池發(fā)生損害。與其它電池保護(hù)芯片如S8254相比較，S8233還可通過(guò)外接MOS管FET1，F(xiàn)ET1及 FET3來(lái)保證鋰電池組的充電平衡，這是其它類(lèi)似芯片所不具備的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)單片機(jī)對(duì)S8233芯片CTL端子的控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的故障保護(hù)。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，并在AVR Studio4環(huán)境下編譯調(diào)試完成。整個(gè)系統(tǒng)軟件內(nèi)充電主程序和中斷服務(wù)子程序組成。主程序主要完成系統(tǒng)、變量及看門(mén)狗定時(shí)器的初始化.控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充電功能。單片機(jī)完成初始化后，根據(jù)電池狀況判斷應(yīng)該進(jìn)入哪一個(gè)充電階段，然后通過(guò)AD采樣與中斷響應(yīng)完成PWM的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)階段的控制。主程序流程見(jiàn)圖 4。程序中通過(guò)AD中斷子程序來(lái)改變PWM占空比，定時(shí)中斷子程序來(lái)控制最大充電時(shí)間，外中斷來(lái)判斷電池組放電狀態(tài)。

　　圖4 主程序流程

　　5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)中采用750mA恒流對(duì)3節(jié)1500mAh的鋰電池組進(jìn)行充電，充電電流.電壓測(cè)試曲線(xiàn)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果她示，由單片開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)AC- DC的轉(zhuǎn)換，通過(guò)ATtiny261與S8233保護(hù)芯片的相互配合與控制所實(shí)現(xiàn)的鋰電池充電器，滿(mǎn)足了3節(jié)鋰電池組的充電要求，取得了較好的充電效果。

　　圖5 電池充電測(cè)試熱線(xiàn)

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　由于AVR ATtiny261良好的性?xún)r(jià)比，使得產(chǎn)品的智能性與應(yīng)用性大大提高，且縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)闊.降低了開(kāi)發(fā)成本。并且，系統(tǒng)采用綜合控制的軟件算法，避應(yīng)了不同型號(hào)及容量的鋰電池需求機(jī)電路集成度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，經(jīng)濟(jì)輕便，具有很大的實(shí)用價(jià)值。此外，在系統(tǒng)現(xiàn)有功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，充分利用 ATtiny261的片內(nèi)外資源，通過(guò)其所具有的12C通信功能，可以很方便的升級(jí)為智能電源管理系統(tǒng)，直接成用于各種便攜式電子設(shè)備。