基于PIC16F883的鋰電池智能充電器的設計與實現(xiàn)

何薇薇，徐 園

（中山火炬職業(yè)技術學院，廣東 中山528436）

0 引 言

隨著全球工業(yè)化的進程，人類對能源的需求在不斷增長，能源危機日益加劇。太陽能是資源最豐富的可再生能源，它分布廣泛、可再生、不污染環(huán)境，是國際公認的理想替代能源。隨著太陽能技術的發(fā)展，近年來超薄、超輕的光伏電池在便攜式電子設備中的應用也得到了很大發(fā)展。

內置鋰離子電池［1］的太陽能充電器擺脫了傳統(tǒng)充電方式的束縛，節(jié)能與環(huán)保，具有良好的發(fā)展前景。本文的研究目標是設計一個基于單片機［2］智能控制的，能夠為手機、MP3、PDA等電子設備提供直充電源的太陽能充電器。

1 系統(tǒng)的總體結構

整個充電器主要包括太陽能電池、鋰離子電池、充電電路、放電電路、控制電路5個組成部分。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

該充電電路是一個Buck變換器及其驅動，由它把太陽能電池發(fā)出的電能進行變換后對鋰離子電池充電，Buck的驅動脈沖由單片機輸出，并由單片機控制其工作。

放電電路是一個有關閉模式的集成Boost變換器，它將鋰離子電池的端電壓進行升壓，使充電器輸出的電壓適合于給手機、MP3等電子產品充電。

控制電路主要包括單片機及其外圍電路、驅動電路、采樣電路和供電電源。控制電路實現(xiàn)的功能是：單片機根據(jù)采樣的充電電流信號，調節(jié)Buck變換器占空比以實現(xiàn)充電電流的控制，當沒有充電電流輸出時關閉Buck以減少電路損耗；根據(jù)采樣的鋰離子電池電壓信號進行充電過程的控制，實現(xiàn)脈沖方式的充電，并進行過充保護，以及使能或關閉放電電路防止過放；根據(jù)采樣的鋰離子電池溫度信號實現(xiàn)超溫保護，當溫度超出正常工作范圍時，暫停充電。

圖1 鋰電池充電系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

本文采用的鋰離子電池充電方法［3］包括預充電、快速充電、脈沖充電三個階段。當鋰離子電池端電壓低于3 V時，先對其進行預充電處理。當鋰離子電池端電壓≥3 V時，可直接進入快速充電階段。當鋰離子電池端電壓達到4.2 V時，進入脈沖充電階段，在此階段間歇關閉充電電路使電池電壓保持在4.2 V左右。鋰離子電池的放電電壓區(qū)間設為3.3～4.2 V，當電池端電壓低至3.3 V時關閉放電電路，防止過放電。

2.1 充電電路設計［4］

充電主回路如圖2所示，包括太陽能電池、屏蔽二極管、Buck變換器和鋰離子電池。

圖2 充電電路原理圖

Buck變換器設計的關鍵是確?！按怕贰辈粫柡停虼穗姼袘撛谧畈焕ぷ鳁l件下設計，即電感電流最大。對于Buck變換器，電感平均電流總是等于負載電流Io，因此它的最惡劣情況還要考慮輸入電壓最高的情況，此時電感電流的峰值最大。對本設計來說，最不利條件發(fā)生在變換器輸入功率最大，鋰離子電池端電壓最小，此時輸出負載電流最大?？傻秒姼辛縇：

其中：

式中：Iomax為負載電流最大值；Dm為太陽能電池輸出峰值功率，鋰離子電池端電壓最小時的占空比；Uomin為Buck最小輸出電壓值；Upvm為太陽能電池輸出峰值功率時的電壓值；UDs為屏蔽二極管的壓降；Ipvm為太陽能電池輸出峰值功率時的電流值；r為電感電流紋波比；f為Buck的工作頻率；η為變換器效率，并假定為90%。

將下列參數(shù)代入到式（1）～ （3）：Uomin＝ 3 V，Upvm＝11 V，Ipvm＝0.15 A，UDs＝0.35 V，r＝0.4，f＝31.25 kHz，可計算出L＝359.7μH，實驗中取值為390μH。電感值選定后，r又會相應變化，根據(jù)式（1）重新計算出r＝0.369。

2.2 放電電路設計

放電電路的輸入電壓為鋰離子電池的端電壓，其工作范圍從3.3 V～4.2 V，為保護鋰離子電池，當電壓低至3.3 V時，關閉放電回路。放電電路的輸出為手機、PDA等設備提供5 V～5.5 V的直充電源，因此放電電路需要用一個Boost變換器，選擇LINEAR公司的集成Boost變換器LTC3402，如圖3所示。

放電電路穩(wěn)壓輸出為5.3 V／500 mA。電路有兩種關閉模式。第一種模式由手動控制開關S1。當充電器需要輸出電源為手機等設備充電時，閉合S1；當充電完畢后，斷開S1，防止放電電路繼續(xù)消耗功率。第二種模式由單片機自動控制。單片機對鋰離子電池的端電壓進行采樣，經過內部比較器比較后輸出高電平或低電平。當電壓在3.3～ 4.2 V 之間時，PIC16F883單片機的6腳輸出高電平，Boost電路正常工作。當電壓小于3.3 V時，6腳輸出低電平，關閉Boost電路，防止電池繼續(xù)放電。同時給出電池缺電指示燈，等待手動切斷S1開關。

圖3 放電電路原理圖

2.3 控制電路設計

PIC16F883是Microchip公司于2006年推出的PIC16F88X系列單片機中的一個型號。PIC16F883單片機不僅集成了本電路所需要的PWM脈沖調制模塊、A／D轉換模塊、模擬比較器，而且芯片設計采用納瓦技術，具有非常良好的低功耗特性，待機電流低至50 nA。另外它還有多個可將單片機從休眠模式下喚醒的中斷源，進一步減少了功耗，非常適合電池供電系統(tǒng)的使用。其引腳功能如圖4所示。

圖4 PIC16F883引腳功能圖

在數(shù)字控制電路中，必須將模擬信號轉換為單片機可以處理的數(shù)字信號，通常由A／D轉換器（簡稱ADC）來實現(xiàn)。PIC16F883單片機內部集成了11通道10位分辨率的A／D轉換器，因此不需要外接A／D轉換芯片。

（1）電流采樣電路設計

采樣電流的主要作用是為了實現(xiàn)鋰離子電池充電電流最大，因此采樣電阻R17串聯(lián)在電池充電回路中，采樣電阻上的壓降與充電電流的大小成正比。采樣電路如圖5所示。

（2）電壓采樣電路設計

電壓采樣電路對鋰離子電池的電壓進行采樣，采樣電壓是充放電控制的依據(jù)。鋰離子電池的最高電壓為4.2 V，對其進行兩次分壓，第一次分壓后采樣信號的最大值為2.8 V，輸入單片機的AN2模擬通道進行A／D轉換，根據(jù)轉換后的值判斷鋰離子電池應該進入預充電、快速充電還是脈沖充電。第二次分壓后采樣信號的最大值為2.16 V，該信號作為單片機內部比較器的反相輸入信號，與內部參考電壓比較，再通過軟件設置將比較結果反轉后，由單片機6腳輸出給Boost變換器的引腳，控制Boost電路工作或關閉。電壓采樣電路如圖6所示。

圖5 電流采樣電路圖

圖6 電壓采樣電路圖

（3）溫度采樣電路設計

為了防止鋰離子電池超溫工作，必須采樣電池溫度。溫度采樣通過一個負溫度系數(shù) （NTC）熱敏電阻實現(xiàn)。電阻貼在電池表面中心位置，因此得到的溫度是電池表面溫度。采用的熱敏電阻在額定溫度25℃時的電阻值為47 kΩ，熱敏指數(shù)B值為3 950 K（25／50），精度±3%。溫度采樣電路如圖7所示，熱敏電阻與電阻R29并聯(lián)后再與R28串聯(lián)，當NTC阻值變化時，送給A／D轉換通道AN11的采樣電壓值也發(fā)生變化。若采樣得到的電壓值超過0.94～2.2 V的范圍，單片機會關閉充電電路，暫停充電，直到電池溫度恢復正常為止。

3 系統(tǒng)軟件設計

單片機是整個系統(tǒng)控制的核心，而所有的控制命令都要由軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件要實現(xiàn)以下控制功能：

（1）充電過程的轉換與控制。充電過程包括預充電、快速充電、脈沖充電三個階段，必須使充電電路在這三個階段之間正確轉換，并在每個階段執(zhí)行不同的控制策略，使鋰離子電池合理充電。

圖7 溫度采樣電路原理圖

（2）正確判斷鋰離子電池是否充滿，充滿后充電器進入休眠狀態(tài)。若充電器電源按鈕一直接通，則當電池電壓下降到重復充電值后自動重新開始充電過程。

（3）在整個充電過程中一直監(jiān)測鋰離子電池的溫度，并進行過溫保護。

（4）進行放電控制。

主程序流程設計如圖8所示，在主程序中主要完成系統(tǒng)初始化、開中斷、調用充電子程序、充電完成處理等功能。初始化子程序中要進行變量、I／O端口、C1比較器、PWM、定時器、中斷的初始化。初始化完成后，啟動C1比較器中斷，并根據(jù)鋰離子電池的電壓轉入預充、快速或脈沖充電子程序。UBATT＿MAX是鋰離子電池的終止充電電壓，設為4.2 V。UBATT＿MIN是快速充電的起始電壓，設為3 V。當充電完成后，置充電指示燈為綠燈，然后將其余端口設為低電平，修改比較器基準電壓為4 V，關閉全局中斷使能位，單片機進入休眠狀態(tài)。

圖8 主程序流程圖

4 實驗結果

本文設計的鋰電池充電器的充電電壓和電流及放電電壓曲線分別如圖9～圖11所示，實驗結果證明本方案能較好地完成對鋰離子電池進行過充、過放和過溫保護的功能。

圖9 充電電壓曲線圖

圖10 充電電流曲線圖

圖11 放電電壓曲線圖

［1］王 非，劉 昊，田曉明.手持終端設備中的鋰電池充電技術［J］.電子器件，2004，27（4）：755－758.

［2］李學海.PIC單片機原理［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［3］Boico F，Lehman B，Shujaee K.Solar Battery Chargers for NiMH Batteries［C］.Power Electronics Specialists，2005 IEEE36th Conference，2005，：146－152.

［4］劉 銀.鋰電池智能充電器IC芯片的設計研究［D］.成都：電子科技大學，2006.