智能快速充电器

摘要： 本文介绍了一种智能快速充电器的设计过程。该充电器基于 Motorola 公司的 MC68HC908SR12 单片机为控制核心，将 SR12 特有的模拟电路模块、高精度 A/D 转换 、 I 2 C 总线接口以及高速 PWM 等功能运用到充电控制中，详细讲述了其硬件和软件的设计过程， 并从元器件筛选 、 PCB 板绘制和软件设计等方面介绍了该 充电器 抑制和防电磁干扰的措施。
关键词： 单片机 A/D 转换 I 2 C 总线 传感器 电磁干扰
1 、引言
随着便携式设备不断小型化、轻量化和高性能化，作为其电源的二次电池的使用率日益提高。我单位于 1998 年在对 充电器市场 调研后，设计开发了 “ ZXG － 99 型智能快速充电器”， 1999 年设计定型，同年投入生产，截止到 2001 年底，已经累计生产了 5000 多部，取得了一定的社会效益和经济效益。今年又签定了几千部的生产合同，但是随着产量的逐年增加，以及 二次电池市场的不断变化，该产品在设计中的不足越来越明显。主要有以下几点：
a ． “ ZXG － 99 型智能快速充电器”的中央微处理器选择的是 OTP 型 单片机 ，不 具有片上 FLASH 存储器，程序固化后不能更改，这在产品批量生产时十分不便，而且随着市场上 二次电池的充电特性不断变化，设计人员要及时更改充电控制参数或开发新的充电算法，这样对已出厂的产品只能更换新的 MCU ，增加了生产成本；
b ． “ ZXG － 99 型智能快速充电器”只能对 镍镉电池（ Nicd ） 和镍氢电池（ NiMH ）充电，没有涉及锂离子电池，主要原因是当时锂离子电池的普及率低，价格高。但是锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比、无记忆效应、可多次重复充电、使用寿命长等优点，促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂离子电池供电的产品越来越多，同时其价格也越来越低。今后二次电池的主流将是锂离子电池，作为一个完整的产品应该将其纳入到设计中；
c ． 该 OTP 型单片机 的 A/D 采样值只有 8 位，在对电池进行 - △ V 检测中精度不够，不能对充电过程实行更精确的控制。
在开发新型智能充电器中，首要环节就是 中央微处理器 MCU 的选型。考虑到既要增加产品的智能化和实用性 ，又要降低生产成本， 最终决定 选用 Motorola 公司新近推出的 MC68HC908SR12 作为 新型 智能快速充电器的 MCU ，这是因为 SR12 具有模拟电路模块、高精度 A/D （ 10 位）、 I 2 C 总线接口以及高速 PWM 等功能，特别适合开发电池充电器和 SMBus 智能电池， 可极大的减少片外其它元器件的开销，达到降低生产成本的目的，同时也提高了产品的一致性和可靠性。
2 、概述
2.1 、功能特性
• 以 MC68HC908SR12 单片机为控制核心；
• 根据二次电池的充电特性，软件智能识别 镍镉电池（ Nicd ） 、镍氢电池（ NiMH ） 和锂离子电池（ Li+ ），选择相应的控制模块和算法对其快速充电；
• 采用最高端电压 V max 、最高温度 T max 、最长充电时间 t max 、电压负增长 - △ V 、温度变化率△ T/ △ t 等快速充电终止法；
• 能对 1 ～ 4 节 镍镉电池（ Nicd ） 、镍氢电池（ NiMH ）单独或同时充电；
• 能对 1 ～ 2 节 锂离子电池（ Li+ ）单独或同时充电；
• 充电速率，每 0.1Ah 的充电时间 ≤ 10min ；
• 对 镍镉电池（ Nicd ） 、镍氢电池（ NiMH ）采用脉冲充电模式，消除记忆效应；
• 对 锂离子电池（ Li+ ）采用恒流转恒压充电模式；
• 使用具有 I 2 C 接口的高精度数字温度传感器 LM92 ，检测电池温度；
• 设有过充电保护、过放电保护和过电流保护；
• 设有电池开路、短路、反接保护；
• 快速充电结束后自动转入涓流充电模式。
2.2 、系统框图
该智能充电器 以 MC68HC908SR12 单片机为控制核心，主要包括电源电路、 恒流恒压电路、温度检测电路、键盘响应电路以及状态显示电路。图 1 是其系统框图。

3 、 硬件设计
3.1 、 电源电路
使用开关电源作为充电器的供电设备。
开关电源采用脉冲调制方式 PWM （ Pulse Width Modulation ）和 MOSFET 、 BTS 、 IGBT 等电子器件进行设计。开关电源集成化程度较高，具有调压、限流、过热保护等功能。同线性电源相比其输入电压范围宽（通常可达交流 85 ～ 265V ）、体积小、重量轻、效率高。其缺点是有脉冲扰动干扰，设计电路板时采用同主控板隔离和添加屏蔽罩等措施，来抑制干扰。
3.2 、恒流恒压电路
恒流恒压电路是智能充电器的关键部分。图 2 是其电路原理图。恒流恒压电路由 SR12 单片机片内模拟电路模块和片外的 MOSFET 开关管、肖特基二极管、滤波电感、滤波电容等器件组成。模拟电路模块是 SR12 的特有部件，图 3 为它的结构框图。它由输入多路开关、两组
可程控放大器、片内温度传感器、电流检测电路等组成。可程控放大器总放大倍数为 1 ～ 256 。放大器的输入可选择为两路模拟输入脚（ ATD0 、 ATD1 ）、片内温度传感器、模拟地输入（ V SSAM ）。 ATD0 和 V SSAM 间可接一个电流检测电阻，用于测量外部电流，它还连接至电流检测电路，可在电流超过指定值时产生中断并输出信号。

在充电开始前的预处理阶段，根据不同的电池，软件选择相应的充电算法，将通道选择控制字写入 SR12 单片机的 AMCR 寄存器中，将两级 可程控 运算放大器的增益值写入 AMGCR 寄存器中。 充电开始后，软件定时采集采样电阻 R sense 上的电压值，经过计算，设置 SR12 单片机 PWM 的输出参数。同时，电流检测电路实时检测充电电流，在电流超过指定值时产生中断并将 SR12 单片机的 PTC0/PWM0/CD 端口置为低电平， 及时关断充电电流，实现恒流恒压的充电控制。

设计中为了减小电流的脉动，降低输出纹波，在体积和成本允许的情况下设计选用饱和电流比较大的电感，因为当磁芯接近饱和时损耗增大，会降低转换效率。电感的饱和电流至少应大于充电回路中的峰值电流。同时，电感的直流电阻会消耗一定的功率，在体积和成本许可的情况下设计选用直流电阻尽量小的电感。另外对于低噪声应用，为降低电源的 EMI ，设计选用具有闭合磁芯的电感。