锂离子电池智能充电器硬件的设计

　　锂离子电池具有较高的能量重量和能量体积比，无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿命长，价格也越来越低。一个良好的充电器可使电池具有较长的寿命。利用C8051F310单片机设计的智能充电器，具有较高的测量精度，可很好的控制充电电流的大小，适时的调整，并可根据充电的状态判断充电的时间，及时终止充电，以避免电池的过充。

　　本文讨论使用C8051F310器件设计锂离子电池充电器的。利用PWM脉宽调制产生可用软件控制的充电电源，以适应不同阶段的充电电流的要求。温度传感器对电池温度进行监测，并通过AD转换和相关计算检测电池充电电压和电流，以判断电池到达哪个阶段。使电池具有更长的使用寿命，更有效的充电方法。

　　设计过程

　　1 充电原理

　　电池的特性唯一地决定其安全性能和充电的效率。电池的最佳充电方法是由电池的化学成分决定的（锂离子、镍氢、镍镉还是SLA电池等）。尽管如此，大多数充电方案都包含下面的三个阶段：

低电流调节阶段
恒流阶段
恒压阶段/充电终止

　　所有电池都是通过向自身传输电能的方法进行充电的，一节电池的最大充电电流取决于电池的额定容量（C）例如，一节容量为1000mAh的电池在充电电流为1000mA时，可以充电1C(电池容量的1倍)也可以用1/50C(20mA)或更低的电流给电池充电。尽管如此，这只是一个普通的低电流充电方式，不适用于要求短充电时间的快速充电方案。

　　现在使用的大多数充电器在给电池充电时都是既使用低电流充电方式又使用额定充电电流的方法，即容积充电，低充电电流通常使用在充电的初始阶段。在这一阶段，需要将会导致充电过程终止的芯片初期的自热效应减小到最低程度，容积充电通常用在充电的中级阶段，电池的大部分能量都是在这一阶段存储的。在电池充电的最后阶段，通常充电时间的绝大部分都是消耗在这一阶段，可以通过监测电流、电压或两者的值来决定何时结束充电。同样，结束方案依赖于电池的化学特性，例如：大多数锂离子电池充电器都是将电池电压保持在恒定值，同时检测最低电流。镍镉、NiCd电池用电压或温度的变化率来决定充电的结束时间。

　　充电时部分电能被转换成热能，直至电池充满。而充满后，所有的电能将全部被转换成热能。如果此时不终止充电，电池就会被损坏或烧毁。快速充电器电池（完全充满的时间小于两小时的充电器）则可以解决这个问题，因为这些充电器是使用高充电电流来缩短充电时间的。因此，对于锂离子电池来说,监测它的温度是至关重要的，因为电池在过充电时会发生爆裂，在所有的充电阶段都应该随时监测温度的变化，并且在温度超过最大设定值时立即停止充电。

　　2 总体设计

　　充电电路由三部分：控制部分，检测部分及充电部分组成。如图1所示，采用F310单片机进行充电控制，单片机本身具有脉宽调制PWM型开关稳压电源所需的全部功能，具有10位A/D转换器。利用单片机A/D端口，构成电池电压，电流，温度检测电路。

图1 锂离子电池充电模块图

　　单片机通过电压反馈和电流反馈信号，直接利用PWM输出将数字电压信号并转化成模拟电压信号，能够保证控制精度。

　　3 控制部分电路设计

　　C8051F310单片机

　　①模拟外设

　　a.10位ADC：转换速度可达200ks/s,可多达21或17个外部单端或差分输入，VREF可在外部引脚或VDD中选择，内置温度传感器（±3℃），外部转换启动输入；

　　b.两个模拟比较器：可编程回差电压和响应时间，可配置为中断或复位源，小电流（〈0.5μA）。

　　②供电电压

　　a.典型工作电流：5mA、25MHz；

　　b.典型停机电流：0.1μA；

　　c.温度范围：-40～+85℃。

　　③高速8051微控制器内核

　　a.流水线指令结构：70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期；

　　b.速度可达25MI/s（时钟频率为25MHz时）；

　　c.扩展的中断系统。

　　④数字外设

　　a.29/25个端口I/O：所有的口线均耐5V电压；

　　b.4个通用16位计数器/定时器；

　　c.16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有5个捕捉/比较模块；

　　d.使用PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式。

　　控制电路中如图2所示，P0.3口提供充电电源，P0.6口检测充电电压的大小，P0.5口检测充电电流的大小，P0.4口检测电池的温度。

图2 控制电路接线图

　　充电电流由单片机脉宽调制PWM产生，充电电流由AD转换再经过计算得出。