一種高精度穩(wěn)壓直流充電電路的設(shè)計

高 偉，施呂蓉

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院；2.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部）

0 引言

在科技日新月異的今天，便攜式電子設(shè)備，如手機(jī)、PDA和藍(lán)牙耳機(jī)的廣泛運(yùn)用，對電池的要求也越來越高。鋰電池以其體積小、重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)和壽命長等優(yōu)點(diǎn)在各種便攜式電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際生活中，很多人在使用帶有鋰電池的設(shè)備時，覺得鋰電池的壽命很短，用不了多久就會出現(xiàn)無法充電的現(xiàn)象。造成這種無法充電的現(xiàn)象的原因都是充電不當(dāng)[1]。由于鋰電池對充電器要求非常高，若使用普通充電器對其進(jìn)行充電，就可能會對其造成損傷甚至損壞。因此，設(shè)計一個安全、穩(wěn)定、快速且具有智能調(diào)節(jié)的充電電路具有重要意義。

1 方案設(shè)計

1.1 LM2596T芯片

直流充電器看似簡單，但要達(dá)到穩(wěn)定的電壓和大的電流，并不容易，要達(dá)到充電效果只有使用升壓模塊或者降壓模塊才能實(shí)現(xiàn)，其中最常見的就是LM2596T降壓芯片。

LM2596系列是德州儀器（TI）生產(chǎn)的最大輸出電流3 A的降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片。它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150 kHz）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23 V），并具有功耗低、效率高、過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能。用該芯片只需極少的外圍器件便可構(gòu)建高效穩(wěn)壓電路[2]。且該芯片價格便宜，使用普遍，電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

1.2 總體方案

本文設(shè)計了一個5 V直流充電電路，并通過USB給負(fù)載充電。如圖1所示：220 V交流電經(jīng)穩(wěn)壓電源處理后輸出5 V直流電壓，并經(jīng)測量/顯示系統(tǒng)，實(shí)時顯示充電電壓、充電電流、瞬時功率，最后將5 V直流電壓加載到負(fù)載上。

圖1 5 V直流充電器

2 電路程序與設(shè)計

2.1 穩(wěn)壓電源電路

如圖2所示：首先，220 V交流電經(jīng)過變壓器的變壓，輸出15 V的電壓。然后，經(jīng)過兩路以LM2596T芯片為核心元件并以并聯(lián)方式連接的對稱電路，輸出充電電壓可以精準(zhǔn)達(dá)到U0=5 V，并保持穩(wěn)定。且充電電流I0從0變到2 A以上，此時，負(fù)載調(diào)整率僅為0.4%。

圖2 穩(wěn)壓電源電路

2.2 測量/顯示電路

利用STM32F103FC8T6片內(nèi)的ADC進(jìn)行充電電壓和充電電流的測量，并顯示在LCD12864上；同時與設(shè)定的電壓做比較，如果超過用戶通過鍵盤設(shè)定的誤差范圍，即打開蜂鳴器報警，并同時讓繼電器斷開充電電路；斷路后，STM32F103FC8T6會儲存斷路時的電壓電流數(shù)據(jù)，并在下次開機(jī)時，顯示在LCD12864上，具體流程，如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2.2.1 電流采集電路

圖4 電流采集電路

為了放大采集電阻兩端的電壓，采用了低噪聲同向比例運(yùn)算電路OP07。使用7660S芯片將+VCC轉(zhuǎn)換成-VCC，從而對運(yùn)算電路OP07進(jìn)行正負(fù)雙電源供電。電壓放大倍數(shù)，電流。

2.2.2 電壓采集

由于單片機(jī)自帶ADC電壓基準(zhǔn)和供電電源VCC相連，當(dāng)開關(guān)電源輸出電壓變化時，ADC的電壓基準(zhǔn)同樣會發(fā)生變化，造成ADC無法測量。為計算其他通道的輸入電壓，需要計算此時的工作電壓VCC，因而需要外部提供一個穩(wěn)定的參考電壓源。電壓測量電路如圖5所示。

圖5 外部3.3V基準(zhǔn)電路

由于穩(wěn)壓芯片AMS1117可以在4.1～6 V供電的情況下穩(wěn)定的輸出3.3 V參考電壓，所以外部參考電壓源就選擇了3.3 V穩(wěn)壓芯片AMS1117。電源電壓VCC的計算公式如下：

2.3 LCD12864液晶顯示

通過單片機(jī)將采集來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符類型數(shù)據(jù)，并液晶顯示屏LCD12864實(shí)時顯示充電電壓、充電電流的值。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試數(shù)據(jù)

在輸入220 V交流電，空載情況下，調(diào)整電位器，使輸出電壓穩(wěn)定，U0=5 V。

當(dāng)輸入電壓從175 V變化到255 V，與此同時負(fù)載由空載變化到滿載的條件下，電壓調(diào)整率如表1所示。

表1 電壓調(diào)整率

當(dāng)輸入電壓保持在220 V，充電電流從0變化到2A時，負(fù)載調(diào)整率如表2所示。

3.2 斷電測試

通過鍵盤輸入來設(shè)定輸出電壓值，若其值超出誤差范圍5 V±（0.1～0.9）時，即打開蜂鳴器報警，并同時讓繼電器斷開負(fù)載，而STM32F103FC8T6會儲存斷路時的電壓電流數(shù)據(jù)，并在下次開機(jī)時，首先顯示在LCD12864上。

表2 負(fù)載變化表

3.3 結(jié)果分析

通過測試，得出以下結(jié)果：

(1)當(dāng)輸入電壓從175 V變化到255 V，與此同時負(fù)載由空載變化到滿載的條件下，電壓調(diào)整率低于0.2%；

(2)當(dāng)充電電流從0變化到2 A時，最高負(fù)載調(diào)整率僅為0.4%；

(3)采用STM32F103FC8T6單片機(jī)控制LCD12864，可實(shí)時顯示充電電壓和充電電流的值，并能同步了解充電電路的工作情況；

(4)當(dāng)輸出電壓超出誤差范圍時，電路能自動斷開負(fù)載，打開蜂鳴器報警，而STM32F103FC8T6會儲存斷路時的電壓和電流數(shù)據(jù)，并在下次開機(jī)時顯示在LCD12864上。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種直流充電電路，該電路以可調(diào)的LM2596T芯片為核心元件，電壓輸出穩(wěn)定，具有非常低的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，并且能直接顯示充電電路的實(shí)時工作情況，在輸出電壓異常的情況下可自動斷開負(fù)載并報警，起到了保護(hù)鋰電池、延長其使用壽命的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，該電路結(jié)構(gòu)簡單，精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，表現(xiàn)良好，具有一定的實(shí)用價值。