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，隨著筆記本電腦、PDA，無繩電話等大功耗大容量便攜式電子產(chǎn)品的普及，其對電源系統(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控制的單片開關(guān)電源式鋰電池充電器，有效地克服了一般充電器過充電、充電不足、效率低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對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，可滿足多種型號的鋰電池充電需求，且 ATtiny261集成化的閃存使其便于軟件調(diào)試與升級。
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高會(huì)造成鍵電池永久性損壞。
預(yù)充電主要是完成對過放的鋰電池進(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，則轉(zhuǎn)入憾壓充電，充電電壓波動(dòng)應(yīng)控制在50mV以內(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)上主要由單片開關(guān)電源、控制電路及保護(hù)電路三部分組成。
3．1單片開關(guān)電源
單片開關(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)線性充電器大損耗、低效率的缺點(diǎn)相比，由美國Power Integrations公司的TNY268P構(gòu)成的單片開關(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)，通過線性光藕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后文脈寬調(diào)制(PWM)的控制。
在電路結(jié)構(gòu)上，線性光藕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電流的問題。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，電流電壓的檢測與調(diào)整，充放電狀態(tài)的顯示等。與專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)整過程與恒限制，還可通過軟硬件配合實(shí)現(xiàn)更靈活的綜合控制，也便于進(jìn)一步的后續(xù)開發(fā)。
系統(tǒng)控制選用Atmel公司的AVRATtiny261來實(shí)現(xiàn)，控制框圖見圖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
系統(tǒng)電壓采樣采用精密電阻分壓方法，將測量電壓范圍轉(zhuǎn)換成0-2．56V，然后通過1倍的差分ADC通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在充電過程中將測得的電壓值與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，再控制調(diào)整PWM占空比完成對充電電壓的控制與調(diào)節(jié)。
3．2．2電流檢測
在系統(tǒng)電流的榆測上，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32倍的ADC差分通道(參見圖3)，分別完成對充、放電電流的檢測。可見，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)放所帶來的功率損耗問題，很好的滿足了系統(tǒng)性能與功耗兩方面的要求，充分體現(xiàn)了ATtiny261的優(yōu)勢。
圖3電池保護(hù)電路
3．2．3溫度檢測
溫度檢測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ADCIl進(jìn)行溫度檢測。測量電壓與溫度基本成線性關(guān)系，約lmv/°C的精度可提供充分精度的溫度測量。如欲獲得更高精度的溫度檢測，可通過軟件寫入校準(zhǔn)值的方法來實(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，所以開關(guān)電源中的穩(wěn)壓管Zl始終處于截止?fàn)顟B(tài)，充電過程完全由PWM的控制來實(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，恒流充電階段對電流的調(diào)整，是通過采樣電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行的，因此其PWM控制調(diào)整過程與恒壓階段完全類似。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)過阻容濾波處理，并在軟件PWM的調(diào)整過程中采用了數(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顯示對應(yīng)。可根據(jù)電壓檢測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。
3．3保護(hù)電路
由于鋰電池的化學(xué)特性，在使用過程中，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．如對其過充電、過放電和過電流將會(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，可對電池電壓和回路電流進(jìn)行有效監(jiān)測，并通過對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還可通過外接MOS管FET1，F(xiàn)ET1及FET3來保證鋰電池組的充電平衡，這是其它類似芯片所不具備的優(yōu)點(diǎn)。通過單片機(jī)對S8233芯片CTL端子的控制，可實(shí)現(xiàn)對鋰電池的故障保護(hù)。
4 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫，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。主程序流程見圖4。程序中通過AD中斷子程序來改變PWM占空比，定時(shí)中斷子程序來控制最大充電時(shí)間，外中斷來判斷電池組放電狀態(tài)。
圖4 主程序流程
5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)中采用750mA恒流對3節(jié)1500mAh的鋰電池組進(jìn)行充電，充電電流．電壓測試曲線如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果她示，由單片開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)AC-DC的轉(zhuǎn)換，通過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 電池充電測試熱線
6 結(jié)束語
由于AVR ATtiny261良好的性價(jià)比，使得產(chǎn)品的智能性與應(yīng)用性大大提高，且縮短了開發(fā)時(shí)闊．降低了開發(fā)成本。并且，系統(tǒng)采用綜合控制的軟件算法，避應(yīng)了不同型號及容量的鋰電池需求機(jī)電路集成度高，結(jié)構(gòu)簡單，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，通過其所具有的12C通信功能，可以很方便的升級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。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用PWM控制的單片開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)充電，大大提高系統(tǒng)效率；基于AVRATtiny261的控制核心搜綜合控制的軟件算法，使系統(tǒng)控制更加靈活，便于進(jìn)一步升級開發(fā)。