基于MAX1898的锂电池快速充电器设计

基于MAX1898的锂电池快速充电器设计 本科毕业设计(论文) 学 院 信息工程学院 专 业 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 年 月 摘 要 在我们的日常生活中,手机已经变得越来越重要了。我们经常需要使用手机，打电话、发短信、上网、看电影、听歌、玩游戏等等。随着大屏幕和高主频的手机出现，锂离子电池就变得更加重要了，其锂离子电池充电器也受到广大消费者的重视。 该课题主要是设计一种基于单片机的锂离子电池充电器，在设计上，通过AT89C51和MAX1898可以控制实现预充，快速充电，及恒压充电。该设计可以监控充电过程中的各个状态，实现电路简单，成本较低，而且充电效果很好，包括安全性高，耗时短，对电池损坏小，满足一般用户的要求。本文还对充电器的核心器件MAX1898充电芯片、AT89C2051单片机进行了较详细的介绍。 该智能充电器具有检测锂离子电池的状态;自动切换充电模式以满足 充电电池的充电需要;充电状态显示的功能。通过光耦6N137可以实现定 时切断MAX1898的电源，减少能耗，同时也延长了它的使用寿命。 关键词: 锂电池，充电器，单片机，AT89C51, MAX1898 Abstract In our daily lives, mobile phones have become increasingly important. We often need to use the phone, making phone calls, text messaging, Internet, watching movies, listening to music, play games and so on. With the advent of large screen and high-frequency mobile phone, the lithium-ion batteries become more important, its lithium-ion battery charger by the consumers attention. The main topic is to design a micro control unit based lithium-ion battery charger designed to AT89C51 and MAX1898 can be controlled to achieve the pre-charge, fast charge and constant voltage charging. The design can monitor the charging process in each state, the circuit is simple, low cost, and charge a good effect, including the safe, time consuming short, small, battery damage and to meet the requirements of general users. The article also has a more detailed introduction to the core of the device MAX1898 charger charging chip, AT89C2051 micro control unit. The smart charger has a state of the detection of lithium-ion battery; automatically switch to charging mode to meet the charge of the rechargeable battery; charging status display function. through the 6N137 can be achieved from time to time to cut off the MAX1898 power supply, reducing energy consumption, but also extend its service life. Key words: Lithium battery, Charger, SCM, AT89C51, MAX1898 目 录 1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1 1.1课题研究的背 景 .......................................................................................................... 1 1.1.1 二次电池的性能比 较 .................................................................................... 2 1.1.2 镍氢电池、镍镉电池与锂离子电池之间的差 异 ........................................ 2 1.2课题研究的意 义 .......................................................................................................... 3 1.3课题研究的主要工 作 .................................................................................................. 3 2 电池的充电方法与充电控制技 术 ...................................................................................... 5 2.1电池的充电方法和充电 器 .......................................................................................... 5 2.1.1 电池的充电方 法 ............................................................................................ 5 2.1.2 充电器的要求和结 构 .................................................................................... 9 2.1.3 单片机控制的充电器的优 点 ...................................................................... 10 2.2充电控制技 术 ............................................................................................................ 11 2.2.1 快速充电器介 绍 .......................................................................................... 11 2.2.2 快速充电终止控制方 法 .............................................................................. 12 3 锂电池充电器电路设 计 .................................................................................................... 15 3.1系统整体框 架 ............................................................................................................ 15 3.2单片机 STC89C52 ..................................................................................................... 15 3.3电源产生芯片 LM7805 ............................................................................................. 16 3.4充电管理芯片 MAX1898 .......................................................................................... 17 3.4.1 芯片功能介 绍 .............................................................................................. 17 3.4.2 引脚功能介 绍 .............................................................................................. 17 3.4.3 详细描 述 ...................................................................................................... 18 3.4.4 应用电 路 ...................................................................................................... 21 3.4.5 充电过程解 析 .............................................................................................. 21 3.5外部晶体管的选 择 .................................................................................................... 22 3.6光电耦合器 6N137 .................................................................................................... 23 4 锂电池充电器软件设 计 .................................................................................................... 25 4.1程序功 能 .................................................................................................................... 25 4.2程序流程 图 ................................................................................................................ 25 5 与展 望 ........................................................................................................................ 28 参考文 献 .................................................................................................................................. 31 致 谢 ...................................................................................................................................... 32 附录 A .................................................................................................................................... 33 附录 B ..................................................................................................................................... 36 附录 C ..................................................................................................................................... 37 附录 D .................................................................................................................................... 38 1 绪论 电池若仅定义为能量储存装置，则可包括飞轮和时钟发条等元件。在 现代技术中电池的更精确定义为:能够产生电能的便携、独立化学系统。 电池是一种化学电源，是通过能量转换而获取电能的装置，化学电源在氧化还原的电化学过程中将化学能转化为电能。一次电池是一次性应用的电池，又叫不可充电电池或原电池，从电池单向化学反应中产生电能。原电池放电导致电池化学成分永久和不可逆的改变。可充电电池又叫二次电池，可在应用中放电，放电后可由充电器对其进行充电。所以二次电池储存能量，而不是产生能量。二次电池是多次反复使用的电池，因此这里的二次实际上是多次的意思。二次电池又称为可充电电池或蓄电池。[1] 锂离子电池自20世纪90年代上市以来，它以能量密度高，使用寿命长的特点倍受重视。基于市场的要求，世界各大电池生产商为了在市场领域里取得优势，无不致力于开发具有能量密度高，小型化，薄型化，轻量化，安全性高，循环寿命长，低成本的新型电池。对此，聚合物锂离子电池具有上述各项优点，是各厂商致力研究的目标。聚合物锂离子电池基于安全、轻薄等特性，广泛应用于便携式设备，所以聚合物锂离子电池是21世纪移动设备最佳的电源解决。 与液体锂离子电池相比，聚合物锂离子具有较好的耐充放电特性，因此对外保护电路方面的要求可以适当放宽。在充电方面，聚合物锂离子可以利用IC定电流的方式充电，实现起来也比较容易。 本论文从锂电池技术特性、充电技术、充电器电路结构、充电器典型电路和电池保护等方面，多角度地阐述了充电技术发展和应用。 1.1课题研究的背景 电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的器件。二次电池是可多次反复使用的电池，它又称为可充电池或蓄电池。当对二次电池充 电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。对于二次电池，其性能参数很多，主要有以下4个指标:工作电压，电池放电曲线上的平台电压;电池容量，常用单位为安时(Ah)和毫安时(mAh);工作温区，电池正常放电的温度范围;电池正常工作的充、放电次数。 1 二次电池的性能可由电池特性曲线表示，这些特性曲线包括充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。二次电池的安全性可用特性的安全检测方式进行评估。二次电池能够反复使用，符合经济使用原则。对于市场上二次电池的种类，大致分为:铅酸(LA)电池、镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li–ion)电池。 1.1.1 二次电池的性能比较 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较见表1.1。 表1.1 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较 1.1.2 镍氢电池、镍镉电池与锂离子电池之间的差异 重量方面:以每一个单元电池的电压来看，镍氢电池与镍镉电池都是1.2V，而锂离子电池为3.6V，锂离子电池的电压是镍氢、镍镉电池的3倍。并且，同型电池的重量锂离子电池与镉镍电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。但锂离子电池因端电压为3.6V，在输出同电池的情况下，单个电池组合时数目可减少2/3从而使成型后的电池组重量和体积都减小。 记忆效应:镍氢电池与镍镉电池不同，它没有记忆效应。对于镍镉电池来说，定期的放电管理是必需的。这种定期放电管理属于模糊状态下的被动管理，甚至是在镍镉电池荷电量不确切的情况下进行放电(每次放电或者使用几次后进行放电都因生产厂的不同有所差异)，这种烦琐的放电管理 在使用镍镉电池时是无法避免的。相对而言，锂离子电池没有记忆效应，在使用时非常方便，完全不用考虑二次电池残余电压的多少，可 2 直接进行充电，充电时间自然可以缩短。 自放电率:镍镉电池为15%,30%月，镍氢电池为25%,35%月，锂离子电池为2%,5%。镍氢电池的自放电率最大，而锂离子电池的自放电率最小。 充电方式:锂离子电池已易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。充电速率(蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量，例如用2A的电流对1Ah电池充电，充电速率就是2C;同样地，用2A电流对500mAh电池充电，充 3.0V，如再继续放电，电速率就是4C)通常不超过1C，最低放电电压为2.7, 则会损害电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用1C充电速率充电至4.1V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小;当电池充足电后，进入涓流充电过程。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护，以监测锂离子电池的充放电状态。[2] 1.2课题研究的意义 本课题研究的对象主要是锂离子电池的充电原理和充电控制。锂离子电池的充电设备需要解决的问题有:能进行充电前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理;解决充电时间长、充电效率低的问题;改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命;通过加 强单片机的控制，简化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电器具有更高的可靠性、更大的灵活性，且成本低。 本课题研究的意义在于:充分研究锂离子电池的充放电特性，寻找有效的充电及电池管理途径。使充电设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能。实现充电器具备强大的功能扩展性，以便为该充电器的后续功能升级提供平台。 1.3课题研究的主要工作 本文主要研究锂电池的充电方法，在此基础上进行系统设计和电路设计，并通过实验结果对充电控制方法测试验证。具体结构如下: 第一章 绪论。首先介绍了课题研究的背景，再介绍了锂电池的特点和在应用中存在的主要问题及课题研究的意义和主要工作，这是该论文的设计基础。 第二章 电池的充电方法与充电控制技术。主要介绍了电池的充电方法和锂电池的 3 快速充电终止控制方法，确保在充电控制过程中不过充、不损坏电池。 第三章 锂电池充电器电路设计。选择控制芯片进行介绍和比较。在此基础之上，对该电路的充电控制芯片进行选择、介绍与。 第四章 通过C语言软件编程设计出锂电池快速充电器电路，来实现对锂电池的自动化控制充电。 第五章 对锂电池充电器设计的整个过程和结果进行说明,指出该作品 的不足和展望等。 4 2 电池的充电方法与充电控制技术 2.1电池的充电方法和充电器 下面先对电池基本参数进行简单的介绍。 电池的额定电压:额定电压是指电池正常工作时正极与负极之间的的电压，通常锂离子电池的额定电压为3.6V。电池充满电时的电压与电池的阳极材料有关:阳极材料为石墨时，电池电压为4.2V;阳极材料为焦炭，电池电压为4.1V。通常锂离子电池的铭牌上标识的是加阳极材料的压降后的电压。即通常是4.2V或4.1V。 电池容量:电池容量是指电池存储电量的大小。电池容量的单位是mA h，中文名称是毫安时(在衡量大容量电池如铅蓄电池时，为了方便起见，一般用Ah来表示，中文名是安时，1Ah=1000mAh)。定义是以20小时为。例如800mAh电池是指连续放电电流为40mA,放电完毕共耗时20小时。另一种是以W/CELL计算,即单位极板消耗功率，定义是以15分钟为标准.例如1221W电池为每一CELL供电21W可供电15分钟。 充放电速率:有时率和倍率两种表示法。时率是以充放电时间表示的充放电速率，数值上等于电池的额定容量(安?小时)除以规定的充放电电流(安)所得的小时数。倍率是充放电速率的另一种表示法，其数值为时率的倒数。原电池的放电速率是以经某一固定电阻放电到终止电压的时间来表示。单位为C。放电速率对电池性能的影响较大。一般地，对于每块电池厂家都有规定的充放电速率，充电速率过大，很可能造成过电流充电，使电池内 部消耗较大的能量，产生热能，对电池不利;充电速率过小意味着充电时间较长。充电速率，电池容量，充电时间及充电电流之间的关系为:充电速率=充电电流/电池容量;充电速率=1/充电时间;充电时间=电池容量/充电电流。 2.1.1 电池的充电方法 1、恒流充电 (1)恒流充电:充电器的交流电源电压通常会波动，充电时需采用一个直流恒流电源(充电器)。当采用恒流充电时，可使电池具有较高的充电效率，可方便地根据充电时间来决定充电是否终止，也可改变电池的数目。恒流电源充电电路如图2.1所示。 (2)准恒流充电:准恒流充电电路如图2.2所示。在此种电路中，通过直流电源和电 5 图2.1 恒流电源充电电路 池之间串联上一个电位器，以增加电路内阻来产生恒定电流。电阻值根据充电末期的电流进行调整，使电流不会超过电池的允许值。由于结构简单、成本低廉，此种充电电路被广泛应用充电器中。 图2.2 准恒流充电电路 2、恒压充电 恒压充电电路如图2.3所示。恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电压进行充电。当对电池进行这一充电时，电池两端的电压决定了充电电流。这种充电方式的充电初期电流较大，末期电流较小。充电电流会随 着电压的波动而变化，因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免造成电池过充电。 另外，这种充电方式的充电末期电压在达到峰值后会下降。电池的充电电流将变大，会导致电池温度升高。随着电池温度升高，电压下降，将造成电池的热失控，损害电池的性能。 图2.3 恒压充电电路 6 3、浮充方式 在浮充方式中，电池以很小的电流(C/30,C/20)进行充电，以使电池保持在满充状态。浮充方式广泛应用于电池作为备用电源或应急电源的电气设备中。常规浮充方式充电电路如图2.4所示。 图2.4 浮充方式充电电路 4、涓充方式 电池与负载并联，同时电池与电源(充电器)相连。正常情况下，直流电源作为负载的工作电源，并以涓充方式为电池充电，只有当负载变得很大、直流电源端电压低于电池端电压或直流电源停止供电后，电池才对负载放电。在这种方式下，充电电流由使用模式决定。它通常使用在紧急电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。下图2.5为涓充方式的简单示意图。 图2.5 涓流方式的简单示意图 5、分阶段充电方式 在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。当电池 电压达到控制点时，电池转为以涓流方式充电。分阶段充电方式是电池最理想的充电方式，但缺点是充电电路复杂和成本较高。另外，需增设控制点的电池电压的监测电路。分阶段充电方式的简单示意图如图2.6所示。 6、快速充电 在用大电流短时间对电流充电时，需用电池电压检测和控制电路。该电路在电池充 7 图2.6 分阶段充电的简单示意图 电末期实时检测电池电压和电池温度，并且根据检测参数控制充电过程。 (1)电池电压检测:在大电流充电末期，检测电池电压，当电池电压达到设定值时，将大电流充电转成小电流充电。采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量。控制电路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低。 (2),?V检测:电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行控制的，,?V控制系统框图如图2.7所示。采用,?V控制系统的充电控制电路，当充电峰值电压确定后，若,?V检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。电池的充电电流、电池电压和充电时间的关系如图2.8所示。 图2.7 ,?V控制系统框图 图2.8 充电电池、电池电压和充电时间的关系 8 (3)电池温度检测:电池在充电末期，负极发生氧复合反应产生热量， 使电池温度升高。由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电池外壳上设置温度传感器或电阻等温度检测元件。当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。下面图2.9给出了电池温度检测简图和电池温度与充电时间的关系图。[3] 图2.9 电池温度检测简图 图2.10 电池温度和充电时间的关系 2.1.2 充电器的要求和结构 1、充电器的要求 对充电器的要求是:安全，快速，省电，功能全，使用方便，价格便宜。 9 快速充电器(1C,4C的充电器)的安全更为重要，终止快速充电的检测方法要可靠、精确，以防止过充电。另外，一些充电器集成电路还设有充电时间定时器来作为一种附加的安全措施。 当充电电流较小时可采用线性电源，充电电流较大时常采用开关电源，它既省电又解决发热问题，并有可能由市电直接整流经AC,DC变换获得低压直流电，可省去笨重的工频变压器。还有，充电器应该要有保护功能，过充电保护:锂离子电池充电过程中电池电压已经达到电池的额定电压，若锂离子电池电压继续上升，则将进入过充电状态。过充电严重时，锂离子电池肯能引燃或爆炸。过充电保护就是电池电压超出额定值时，则切断充电电源，停止充电。过放电保护:锂离子电池没有记忆性，但不能将锂离子电池中的电量全部放完，否则锂离子电池的特性将发生改变，使锂离 子电池的寿命缩短。过放电保护就是锂离子电池电压降到2.5V时，停止对负载继续放电。过电流保护:锂离子电池在保管和携带过程中，使用者不慎用金属导体接触锂离子电池的正、负极使锂离子电池的正、负极短路或者负载的故障导致流过电池的电流过大，都会造成爆炸和引燃的危险。过电流保护就是检测流过电池的电流，超过限定值时立即停止锂离子电池放电。 2、充电器的结构框图 早期的充电器是没有处理器的,它主要由充电器集成电路及电源部分组成，其内部结构较复杂，引脚也较多。一般的功能较完善的充电器结构框图如图2.11 AA线右边所示。 2.1.3 单片机控制的充电器的优点 目前，市场上有大量的电池管理芯片，针对充电器开发的电池充电管理芯片业很多，可以直接使用这些芯片进行充电器的设计。 但是，充电器实现的方式不同导致其充电效果不同。由于采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。一般的，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫，电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充。设计比较科学的充电器采用专业充电控制芯片，具备业界公认较好的―ΔV检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。[4] 10 图2.11 充电器结构框图 2.2充电控制技术 2.2.1 快速充电器介绍 快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。常用的充电电流值为0.3,2小时率电流。小时率电流值是由公式C(Ah)/t(h)规定的，其中C代表电池额定容量，t代表时间。例如用1小时率电流对5号锂电池快速充电，根据0.5(Ah),1(h),500(mA)，即采用500mA的充电电流(一般慢速充电，选用10小时率电流)。 性能完善的快速充电器，其原理图如图2.12所示: 其中的主控电路有多种类型: 1、定时型 对电池进行定时充电，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决定。定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电，使用很方便。由于定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充电器。自制时，为了充电安全， 11 图2.12 快速充电器原理框图 最好选大于5小时率的电流充电。 2、电压峰值增量?V型 有的可充电电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。设计主控电路时，利用该特性监测电池电压出现峰值 之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。这也称为,?V法。由于这种控制电路比较复杂，故不适于自制。 3、其他主控电路 主控电路除上述两种以外，还有温度监测和脉宽调制(PWM)控制电路。温度监测常用热敏电阻监测电池温度。当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。只有它复位(人工或自动)后，才能启动再次转人快速充电。 2.2.2 快速充电终止控制方法 充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分。根据充电电池的原理，将锂电池的电压曲线分为三段，具体见图2.13。 由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制方式。具体为:进入B—C段之前，电池电量己基本用完，此时采用恒定的小电流充电。当进入B—C段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，根据电压变化情况控制充电电流，使电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。 12 图2.13 锂电池的充电特性 为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。 在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态;恒压充电时，保持充电电压不变。由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流 下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。 电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度的升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种终止充电的方法。 1、定时控制 该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。 这种控制方法较简单，但有其缺点:充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。 2、电池电压控制 在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有: 最高电压(VMAX):从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺 13 点是:电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己足充电。 3、电池温度控制 为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，因此，不能准确的检测电池的充足电状态。人的感觉器官虽可感觉温度的高低，但具有主观因素，难以量化。为了定量检测功率开关器件温度的高低，应采用温度传感器。温度传感器有多种多样，常见的有温度继电器、热敏电阻、热电偶和晶体管温度传感器等。[5] 4、综合控制法 鉴于定时控制、温度控制、最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限性，有的系统中锂电池的充电终止也采用综合控制法。锂电池是以零增量检测为主，时间、温度和电压检测为辅的方式。系统在充电过程检测有无零增量(?V)出现，作为判断电池已充满的正常标准，同时判断充电时间、电池温度及端电压，是否已超过预先设定的保护值作为辅助检测手段。当电池电压超过检测门限时，系统会检测有无零增量出现，若出现?V，则认为电池正常充满，进入浮充维护状态;在充电过程中，系统会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件。若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电方式，进入浮充维护状态。[6] 14 3 锂电池充电器电路设计 3.1系统整体框架 系统主要由STC89C52单片机、MAX1898锂电池充电芯片和光耦6N137这三部分和一些相关的器件组成，如图3.1所示。系统连接好锂电池,上电开始工作。单片机就会给6N137一个信号，通过它给MAX1898供电开始工作。MAX1898芯片会检测锂电池的电压，判断是否需要充电，如果需要充电，则向其充电，同时单片机计算时间、相关指示灯会亮和闪烁。当电池进入恒压充电阶段或者充电出错时，MAX1898会发出一个信号，信号经过反相器反转后，输入到单片机的外部中断端，单片机就会做出相应的动作，让指示灯发出相应信号提示使用者。等到系统设定的3个小时后，单片机又会向6N137发出控制信号，此时就会切断MAX1898的电源，停止对锂电池充电，同时指示灯也会发出信号提醒使用者电池已经充满电。 图3.1 系统框图 3.2单片机STC89C52 本设计采用STC89C52单片机作为系统的处理器,需要用到单片机的外部中断、定时器中断和普通I/O口等资源。我们可以通过单片机的外部中断端口检测芯片MAX1898发出的信号，通过程序控制MAX1898的供电电源和外围的led亮与灭，来展示给使用 15 者，充电器的工作状态。定时器可以用来作为充电器的计时器，当时间到了，就会切断电源和改变相应的led状态。它是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的升级版。它有几个主要组成部分:中央处理器、 存储器、并行I/O口、定时器/计数器。内部自带4K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，STC89C52构成的单片机系统是具有结构简单、造价低廉、效率高的微控制系统，节省了成本，提高了系统的性价比。[7]STC89C52芯片的最小单片机系统如下图3.2所示: 图3.2 单片机最小系统 3.3电源产生芯片LM7805 本系统需要外接12~18V直流电源供电，通过芯片LM7805达到5伏电压，向系统供电。 端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，且有一定的电压、电流输出，能够获得不同的电压和电流，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、 16 图3.3 lm7805样品 方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。LM7805 主要特点:输出电流可达 1A、输出电压有:5V、过热保护、短路保护、输出晶体管 SOA 保护。 3.4充电管理芯片MAX1898 本产品采用锂离子电池充电器IC MAX1898，下面对MAX1898进行简 单的介绍。MAX1898和外部晶体管PNP或PMOS组成一个锂离子充电器，可精确地恒流/恒压充电，电池电压精度可达?0.75%。MAX1898有两种型号，MAX1898EUB42应用于4.2V的锂离子电池，类似的MAX1898EUB41用于4.1V的锂离子电池。 3.4.1 芯片功能介绍 1、电压精度达?0.75% 2、 充电电流可控 3、 带自动输入电源监视器 4、 内部检流电阻 5、 LED充电状态指示器 6、 可控的安全充电时间 7、 电流大小监视输出 8、可选择的自动重启 3.4.2 引脚功能介绍 芯片MAX1898的引脚及其功能如下表3.1所示: 17 表3.1 MAX1898引脚功能表 3.4.3 详细描述 MAX1898开始快充的条件如下，满足任何一个条件即可:外部电源连接上，电池电压大于2.5V。电池电压下降到重启电压， 4.0V(MAX1898EUB42)3.9V(MAX1898EUB42)。EN/OK先置低后置高，IC复位。预充电结束，电池电压达到2.5V。 电流设定:MAX1898充电电流通过线性控制外部晶体管PMOS或PNP，最大的充电电流通过连接ISET与GND的外部电阻来设定，选择电阻由公式(3.1)计算: Ifastchg?1400Rset(其中 Ifastchg单位是安培，Rset单位是欧姆) (3.1) 18 ISET可用来实时检测实际的充电电流。ISET端有1mA输出的电流就表明充电电流为1A，ISET端的输出电压正比于充电电流,如公式(3.2)所示: Vset?Ichg?Rset1000 (3.2) 在快速充电阶段通常ISET端的电压为1.4V，电池充满时将随着充电电流下降。充电过程中电压、电流、功耗变化趋势图如下图3.4所示。 图3.4 电压、电流、功耗变化趋势图 CHG状态输出: CHG是一个漏极开路输出，CHG有5mA的限定电流，LED可以与固定阻值的电阻连接在5伏VCC与CHG之间作为充电状态标志。另外，CHG可以输出逻辑电平，表3.2为CHG的状态与各充电状态的对应关系。[8] 表3.2 CHG的状态与各充电状态的对应关系 充电周期重新开始:当电池电压降到电池额定电压下0.2V时，配置MAX1898能够使充电周期自动重新开始(将RSTRT接GND)，重启阈值可以通过在RSTRT与GND间接外部电阻来降低。假如自动重启不需要，可以悬空RSTRT。自动重启功能无效，充电只能 19 通过清零在置高EN/OK来重新开始新的周期，或者先断开输入电源后重新接入电源。 EN/OK(EN输入，OK输出):EN/OK有两种功能，可以作为逻辑输入(高电平)使能充电。除了开/关控制之外，EN/OK也可以反应出输入电源是否接入。当输入电源接IN(VBATT>VIN ， VIN>4.25V),EN/OK输出高电平3V，通过内部上拉100kΩ电阻。因此 EN/OK可以作为输出来反映AC适配器接入情况，同时通过漏极开路的驱动可以开/关充电。假如IN没有电压或不足，EN/OK将保持低电平，充电将关闭。 电池漏极电流:MAX1898采用CMOS电路检测电池状态，最小电流由电池自身提供。当输入电压小于电池电压时，电池漏极电流通常为3uA。当输入电源存在，充电完成时，漏极电流通常为40uA，不复位则电流可能降到4uA。 可选择最大充电时间:最大充电时间可以通过外部电容设置，电容接在CT与GND之间，选择电容用如下公式(3.3)所示: CCT[nF]?34.33?tCHG[hours] (3.3) 最大充电定时就是安全定时，通常不是充电控制循环中的一部分。以1C的充电速率对锂离子电池充电，通常充电时间将近1.5小时，但是根据温度的变化和电池类型的不同充电时间变化很大。在大多数场合，用1C速率快速充电推荐3小时作为最大充电时间，以使正常充电不会被充电定时器中断。要详细咨询电池厂商推荐的定时设定。CT接GND，充电安全定 时功能关闭，同样重启功能和预充电错误提示功能也关闭。 可控制的自动重启:当电池电压降到预定水平下时，MAX1898就自动重启开始充电。大多数定时充电器，一旦充电时间结束，就不能对随后的电池充电，充电将不能重新开始，除非充电器被外部信号触发。当有充电电源、电池电压下降时自动重启充电，MAX1898可以保证用后电池不会部分带电.重启功能配置如下: 悬空RSTRT重启功能关闭。一旦充电完成，充电定时结束，充电只能通过在IN重新输入电源或触发EN/OK。自动重启功能关闭，充电完成后电源漏极电流降到4uA，自动重启功能开启，则为40uA。 RSTRT接地使能错误重启阈值(MAX1898EUB42为4V,MAX1898EUB41为3.9V)，一旦充电完成，充电时间结束，电池电压下降到重启阈值电压时将重启充电。[9] 通过在RSTRT与GND之间连接电阻可以降低重启阈值电压。 对于MAX1898EUB42有公式(3.4): 20 RRSTRT[k?]?69.275k?VRSTRT 1.4V?1?37.301k?(VRSTRT在3V和4V之间) (3.4) 对于MAX1898EUB41有公式(3.5): RRSTRT[k?]?66.822k?VRSTRT 1.4V?1?37.301k?(VRSTRT在3V和3.9V之间) (3.5) 3.4.4 应用电路 下图3.5是用PNP来作为外部连接晶体管。图中LED接入IN和CHG 之间作为充电状态指示器。BATT与地之间必须接10uF旁路电容，使得锂离子电池平稳地充电。在外部晶体管漏极/集电极和BATT正极之间接一个肖特基二极管，来避免输入电源短路时电池放电。本系统设计为充电时间3小时，最大充电电流250mA，采用自动重启模式，所以CT外接0.1uF电容，ISET外接5.6K电阻，RSTRT直接接地。[10] 图3.5 MAX1898连接图 3.4.5 充电过程解析 21 如下图3.6所示，在开始充电阶段，MAX1898会检测接入电池是否大于锂离子电池终止放电电压2.5V，如果电压大于2.5V，则按正常快速充电，如果电压小于2.5V则充电电流按10%快速充电电流充电，直到电压达到2.5V。达到2.5V后进入快速充电阶段,因为内部用一个比较器，将检测电压与2.5V作比较，并将结果作为逻辑控制器的输入。此过程中预充电时间达到充电时间的1/4,电压还没有超过2.5V，则充电出错，LED以 1.5HZ的频率和50%的占空比闪烁。充电进入快速充电阶段后，随着电压的上升，充电电流也逐渐下降，当电流下降到设定快速充电电流的20%时，则快速充电阶段结束，进入恒压充电，等到设定充电时间，则停止充电,充电结束。 [11] 图3.6 充电过程解析图 下图3.7为充电过程中为标准化充电电流与电池电压的关系图，标准化电流是以快速充电电流为1，其它按占其比例计算。可以看到快速充电阶段是以最大的恒定电流充电，快速充电结束后，电压基本维持在4.2V， 可认为是恒压充电，电流越来越小直至充电结束。 3.5 外部晶体管的选择 22 图3.7 电流与电压关系图 MAX1898用一个外部晶体管驱动来控制充电电流。晶体管(MOSFET或者三极管)的最重要的参数就是额定电流和功耗。由于MAX1898为一个线性充电器，外部晶体管就会消耗热量。 功耗计算公式如公式(3.6): PDISS?IFASTCHG?(VIN?VBATT) (3.6) 最不利的条件下功耗如公式(3.7): PDISS(MAX)?IFASTCHG?(VIN?2.5V) (3.7) 晶体管的额定功率必须是PDISS(MAX)，晶体管通常用P沟道的MOSFET。 用PNP作为外部晶体管，DRV电流可达4mA，因此必需要比较合适电流放大倍数来允许DRV驱动三极管的基极。对于500mA的快速充电电流，放大倍数应为125.达林顿管PNP是不推荐使用的，由于稳定性限制。 这里我们以250mA作为充电电流，对于容量为800mAh的锂离子电池充电速率达0.31,按照公式(1-7),可计算出用PNP作为外部晶体管，在最不利的条件下最大功耗为 0.625W。随着充电的进行，PNP的功耗将逐渐降低。详细充电电压，充电电流及外部晶体管功耗随时间的变化请见图1-1。S8550在常温下功耗可达0.625，最大集电极电流可达500mA，所以符合要求。[12] 3.6 光电耦合器6N137 23 光电耦合器6N137由一个高发射强度的红外发光二极管和一个高速高增益的光敏检测集成电路组成。6N137用于控制充电电源的接入与断开。下图为6N137内部电气图。 图3.8 6N137内部电气图 由于6N137输入正向电流为3mA，即可导通二极管， AT89S51输出低电压时的灌电流为3mA，输出为高电平时的拉电流为10uA，显然，CATHODE接地，控制ANODE不能驱动内部二极管，因此ANODE接VCC，控制CATHODE，可以控制内部二极管的导通。 6N137的接线图如下图3.9所示，GATE端连接单片机的一个I/O口，5V-IN端连接MAX1898的1号引脚。VCC与GND之间和Vo与GND之间应接一个滤波电容，以滤除高频干扰，输出电压波动。上拉一个电阻可以实现高低电平的转换和增加5V-IN的输出电流。当GATE端为低电平时，其内部红外发光二极管点亮，导致输出端Vo为低电平，就可以切断MAX1898的电源;当GATE端为高电平时，其内部红外发光二极管熄灭，导致输出端Vo为高电平，就可以向MAX1898提供电源，向锂电池充电。 图3.9 6N137接线图 24 4 锂电池充电器软件设计 4.1程序功能 基于单片机STC89C52和MAX1898的智能电池充电器的程序需要完成以下的功能:系统上电通过6N137向MAX1898提供电源，使能MAX1898， 开始充电，同时启动定时器0，允许外部中断和定时器中断，打开总中断。预充电和恒流充电时，定时器每过1秒就会控制1号灯亮/灭(即周期性闪烁)。当进入恒压充电状态时，CHG会发出高电平，外部中断产生，此时，定时器每过5秒就会控制1号灯亮/灭;等到计时器计时到3小时时，单片机就会发出一个信号给6N137用以切断MAX1898的电源，停止充电，此时1号灯就会熄灭，表示充电过程结束，可以取下电池使用。 4.2程序流程图 单片机控制的智能充电器的程序流程图如图4.1所示:其中初始化包括了接通 MAX1898的电源、打开总中断、开启外部中断、启动定时器，控制指示灯亮灭等。进入While循环，等待定时器和外部中断。 图4.1 程序流程图 25 外部中断发生后，单片机的动作流程图如下图4.2所示:当有外部中断信号到来时，表示进入恒压充电阶段或者充电出错了，此时单片机就会执行产生外部中断后的相应程序，让指示灯每过5秒转变一次状态，提醒使用者。 图4.2 外部中断发生后程序流程图 定时器中断流程图如下图4.3所示:进入中断子程序，判断总时间是否到了3小时，如果到了就关中断、关断MAX1898电源和熄灭1号灯，返回主函数;如果没到而且外部中断没有发生，判断时间是否到了1秒，没到就总时间叠加，到了就把Time请0和总时间叠加，返回主函数;如 果没到而且外部中断已经发生了，判断Times是否到了5，到了就改变1号灯状态，把Times清0，总时间叠加，返回主函数，如果Times没到5，则总时间叠加，返回主函数。 26 图4.3 定时器中断程序流程图 27 5 总结与展望 本论文描述了锂离子电池快速充电过程的基本原理,设计了对单节4.2V锂离子电池充电的充电器，它能够快速完成锂离子电池的充电过程。根据对锂离子电池的充放电特性和充电控制方法的分析得出:锂离子电池充电器常采用三段充电法，即预处理、恒流充电(快充)和恒压充电(充满)。开始以设定的恒流充电，锂离子电池的电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低，充到接近4.2V时，恒流充电阶段结束，接着以 4.2V恒压充电。在恒压阶段充电时，电压几乎不变(或稍有增加)，充电电流不断下降。当充电速率下降到0.1C时，表示电池已充满，应终止充电。没有及时终止的话，此后最明显的特征是电池温度升高，发热，在整个快充电过程中都应当注意电池的温度，尤其是过充电时，锂离子电池温度过高，会造成过热而损坏电池或发生爆炸。在锂离子电池进入恒压充电状态前，必须适时停止快速充电。为此，设计了此种锂离子电池快速充电器, 利用快速充电的方法，并在此基础之上进行电压、温度的检测和控制来保证该充电器能对锂离子电池进行安全可靠而又快速的充电。本电路具有温度保护功能,当电池温度过高时, 即刻停止快速充电,这样就能避免过 充电对锂离子电池造成的损害. 根据锂离子电池的充电特性可知，锂电池或充电器在电池充满后应当停止充电，并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。也就是说，如果你的锂电池在充满后，放在充电器上也是白充，反而会造成内压升高、电池发热等现象，而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失，所以电池将长期处在危险的边缘徘徊。这也是本次设计中当充满电后自动断开充电的一个理由。 此外，不可忽视的另外一个方面就是锂电池同样也不适合过放电，过放电对锂电池同样也很不利。 目前一些大的厂家生产的手机充电器都具有以下特点:宽范围AC输入或多个电压可选;具备限流保护，电流短路与反充保护线路设计;体积小、重量轻;自动、快速充电，充满电后自动关断等等。另外，有的充电器还有自动识别锂离子、镍氢、镍镉电池组;自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以改变参数来适应各种不同电池的充电;具有放电功能;LED 或LCD充电状态显示;低噪声;模拟微电脑控制系统等特点。因此，设计一款真正由微电脑控制单片机控制，且价格低廉的智能控制充电器，成为各厂家努力的方向。 28 下面给出充电过程中记录的数据，如下表5.1所示: 表5.1 充电过程数据表 29 30 参考文献 [1] 周志敏，周纪海，纪爱华. 便携式电子设备充电器实用电路与电源管理[M]. 北京: 中国电力出版社，2009:2-3. [2] 周志敏，周纪海，纪爱华. 充电器电路设计与应用(第1版) [M].北京:人民邮电出 版社，2005:35-37. [3] 吴宇平，万春荣等. 锂离子二次电池[M].北京:化学工业出版社，2002:63-69. [4] 王海麟,钱建立,周晓军. 智能快速充电器设计与制作[M].北京:科学出版社， 1998:132-135. [5] 强生泽. 现代通信电源系统原理与设计[M]. 北京:中国电力出版社，2009:178. [6] K.Hirakawa，A.Measuring and Analyzing Method for Battery Conditions Using a New Field Data Collection system，evsl17，2000. [7] 肖金球. 单片机原理与接口技术[M]. 北京:清华大学出版社，2004:3-5. [8] 林邦怀，周文灵. 一种基于单片机的智能充电器设计[J]. 仪表技术:2007，2:27-29. [9] 刘美俊. 基于AT89C2051单片机的智能充电器设计[J].集成电路 与元器件卷， 2004，7:78-81. [10] 沈元隆,刘陈. 电路分析基础(第三版) [M]. 北京:人民邮电出版社，2008:136-137. [11] MAXIM.Datasheet:Stand-Alone.Switch-Mode Li+ Battery Charger，2001. [12] 康华光. 电子技术基础模拟部分(第五版)[M]. 北京:高等教育出版社， 2006:140-153. 31 致 谢 从审题、上网找资料、确定方案到画原理图、PCB再到制版、调试修改，再加上最后的编写报告，整个过程大概花了两个多月的时间。通过努力终于把毕业设计顺利完成了，并最终定稿，看着自己的劳动结晶，内心充满了感激。在此我要感谢我的指导老师，感谢老师给予我悉心的指导，感谢老师给予我的帮助。在设计过程中，老师在百忙之中还挤出休息时间给我用飞信、qq和电话的方式为我指点迷津，向我耐心讲解，给我提供大量的资料和教我查阅资料的便捷方法，还经常为我提供各方面的帮助，为我排忧解难。 在这次毕业设计中许多同学也为我加油、鼓劲，也使我们的同学关系更进一步，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识。在此，我再次向各位老师及同学们表示我 最衷心的感谢～同时，我也感谢我的所有任课老师，是他们把我带入了电 子学科学殿堂。 在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立 了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影 响。而且大大提高了动手能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰 难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不很好，但是在设计过程中所学 到的东西是这次设计的最大收获和财富，使我终身受益。 在以后的工作和生活中，无论遇到何种困难，我都会坚持到底，尽自 己最大的努力做到最好，为实现自己的人生价值而奋斗。 32 附录A 主要源程序 #include <reg52.h> typedef unsigned char U8; /* 无符号8位整形变量 */ sbit EN_OK = P2^0 ; sbit GATE = P2^1; sbit BP = P2^2; sbit a=P1^0; U8 time;second;minute; times; flag; void init() { GATE=0; EN_0K=0; BP=1; ET0=1; EX0=1; IT0=1; TMOD=0x01; TL0=0xB0; TH0=0x3C; TR0=0; EA=1; time=0; second=0; minute=0; flag=0; GATE=1; //MAX1898电源断开,不工作 //禁止MAX1898充电 //充电指示灯熄灭 //定时器0允许 //外部中断允许 //外部中断边沿触发 //T0定时器设定工作方式1 //设定初值，定时50ms //定时器关闭 // 使能中断 //中断标志 //接通MAX1898电源 33 EN_OK=1; //使能MAX1898 TR0=1; //开启定时器 } void charging (void) interrupt 0 using 0 { flag=1; times=0; EX0=0; //关外部中断 //标志位，有外部中断就置1 } void time0 (void) interrupt 1 using 1 { TL0=0xB0; TH0=0x3C; //重置初值 time++; //定时中断次数累计 times++; if(flag==0&&time==20) { time=0;times=0; // 1s到 中断次数清零 second++; //秒累计 } if(flag==1&&time==20) { time=0; // 1s到 中断次数清零 // 秒累计 BP=~BP; //充电进行中D5以1HZ频率闪烁 second++; } if(second==60) { 34 second=0; //1min到 秒清零 minute++; //分累计 } if(minute==180) { minute=0; //安全充电时间到，分清零 GATE=0; //MAX1898电源断开,不工作 EN_OK=0; //禁止MAX1898充电 BP=1; TR0=0; //灯灭 //关 定时器 EA=0; //关总中 断 } if(flag==1&&times==5) { times=0; BP=~BP; //充电进入恒压阶段或者充电出错，D5以4HZ频 率闪烁 } void main() { init(); //初始化程序 while(1); //循环等待中断 } } 35 附录B 电路原理图 图B1 电路原理图 36 附录C 电路 PCB 图C1 电路PCB 37 附录D 作品实物图 图D1 作品实物图 38