3.6 V/7.2 V鋰離子電池智能充電器設(shè)計(jì)

宋金華 吳林 謝啟少

摘 要：部分手持式電子產(chǎn)品中帶有3.6 V/7.2 V鋰離子電池，文中針對(duì)3.6 V/7.2 V鋰離子電池的充電器進(jìn)行設(shè)計(jì)。該充電器的主要特點(diǎn)：充電器在單片機(jī)8051F330的控制下具有自動(dòng)識(shí)別充電端口電池規(guī)格、自動(dòng)完成充電、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電狀態(tài)并以充電指示燈指示充電狀態(tài)功能;具有充電器故障告警和故障保護(hù)功能，當(dāng)電池失效時(shí)指示燈閃爍告警;充電器具有操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、智能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;單片機(jī);自動(dòng)識(shí)別;指示燈;充電器;AC/DC

中圖分類號(hào)：TP39;TM464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）09-0-02

0 引 言

充電器是為電池充電的設(shè)備[1-2]，多選用3.6 V和7.2 V規(guī)格的鋰離子電池[3]。電子產(chǎn)品一般匹配兩套充電設(shè)備，且充電器本身不具有充電狀態(tài)識(shí)別、顯示、控制功能，電池充滿與否依賴電子產(chǎn)品內(nèi)部自帶的電源管理程序控制。該類普通充電器通用性弱、可靠性低，因電池極易過(guò)充而引起的電池?fù)p耗較大。

針對(duì)市場(chǎng)上充電器存在的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一款智能充電器，能夠自動(dòng)識(shí)別插入槽內(nèi)的電池規(guī)格，自動(dòng)完成充電并指示充電狀態(tài)。既能給3.6 V鋰離子電池充電又能給7.2 V鋰離子電池充電，當(dāng)電池失效或者電路故障時(shí)，會(huì)有紅燈閃爍告警。充滿后自動(dòng)關(guān)閉且指示燈變綠。

1 智能充電器結(jié)構(gòu)

圖1所示為智能充電器的結(jié)構(gòu)，在智能充電器內(nèi)，除了具有普通充電器具備的AC/DC模塊外，還具有微機(jī)單元（8051F330）控制充電狀態(tài)功能，8051F330通過(guò)采樣得到充電端口電壓和充電電流，再與程序設(shè)置的電壓電流比較、判斷、控制電子開(kāi)關(guān)2SC945通斷來(lái)控制充電與指示燈顯示狀態(tài)。充電端口根據(jù)識(shí)別電池規(guī)格自動(dòng)切換3.6 V或7.2 V電池充電，并由對(duì)應(yīng)的指示燈顯示。

2 單片機(jī)8051F330控制程序設(shè)計(jì)

智能充電器程序流程如圖2所示。

2.1 設(shè)計(jì)條件

（1）輸入電壓范圍：交流176～264 V;

（2）輸入頻率：（50±3）Hz;

（3）設(shè)計(jì)充電電壓：直流4.2 V/8.4 V;

（4）設(shè)計(jì)充電電流：（1±10%）A;

（5）充電方式：選用先恒流后恒壓充電方式，充滿后自動(dòng)關(guān)斷結(jié)束。

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.2.1 AC/DC電源模塊設(shè)計(jì)

AC/DC電源模塊采用由TOP224芯片控制的反激變化電路，輸出電壓由輸出可調(diào)的分壓電阻切換兩種規(guī)格，即4.2 V或8.4 V，電路如圖3所示。

2.2.2 單片機(jī)8051F330端口地址分配

單片機(jī)8051F330的1腳與數(shù)字電位器CAT5113的1腳連接，2腳接GND，3腳與3.3 V電源連接，4腳和5腳與JTAG口連接，6腳與數(shù)字電位器CAT5113的7腳連接，7腳與充電電流信號(hào)連接，8腳與AC/DC輸出電壓采樣連接，9腳懸空，10腳與充電器的輸出端口電壓采樣連接，11腳～15腳與充電器指示燈連接，16腳與3.6 V/7.2 V三極管2SC945連接，17腳～18腳懸空，19腳與充電器電壓反饋連接，19腳與數(shù)字電位器CAT5113的2腳連接，分配電路如圖4所示。

2.2.3 充電電流電壓采樣

3.6 V/7.2 V智能充電器電流采樣時(shí)，通過(guò)LT6107芯片連接并將輸出信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)7腳，該充電器充電電壓由輸出端口發(fā)送至單片機(jī)10腳。充電電流電壓采樣電路如圖5所示。

2.2.4 單片機(jī)8051F330

3.6 V/7.2 V智能充電器單片機(jī)8051F330通過(guò)在充電初始時(shí)檢測(cè)電池端口電壓來(lái)判別電池規(guī)格，并由18腳發(fā)送K_8.4 V/4.2到三極管，切換為與電池匹配的分壓電阻，并由單片機(jī)8051F330的9腳發(fā)送信號(hào)K到三極管以控制充電輸出。單片機(jī)控制電路如圖6所示。

2.2.5 充電狀態(tài)顯示

3.6 V/7.2 V智能充電器設(shè)計(jì)兩個(gè)共陰發(fā)光二極管，以此觀察充電狀態(tài)的顯示，其中一個(gè)發(fā)光二極管對(duì)應(yīng)3.6 V充電狀態(tài)，另一個(gè)發(fā)光二極管對(duì)應(yīng)7.2 V充電狀態(tài)。當(dāng)插入3.6 V未充滿的鋰離子電池時(shí)，對(duì)應(yīng)3.6 V指示燈為紅燈，表示在充電狀態(tài)，充滿后變?yōu)榫G燈，當(dāng)出現(xiàn)故障或者電池性能下降嚴(yán)重時(shí)，則紅燈閃爍作為故障告警。當(dāng)插入7.2 V未充滿的鋰離子電池時(shí)，對(duì)應(yīng)7.2 V指示燈為紅燈，表示在充電狀態(tài)，充滿后變?yōu)榫G燈，當(dāng)出現(xiàn)故障或者電池性能下降嚴(yán)重時(shí)，紅燈閃爍作為故障告警。

3 智能充電器充電測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上理論設(shè)計(jì)，利用Altium Designer Release 10軟件制作PCB板，在PCB板上焊接元器件，單片機(jī)8051F330控制電路如圖7所示。在智能充電器槽口插入待充的鋰離子電池，對(duì)應(yīng)3.6 V或7.2 V指示燈變紅，充滿后變綠;當(dāng)插入已失效的電池時(shí)，對(duì)應(yīng)指示燈閃爍;當(dāng)電路故障時(shí)，對(duì)應(yīng)指示燈閃爍。模塊實(shí)物如圖8所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文圍繞智能充電器的工作原理，首先設(shè)計(jì)出AC/DC電源模塊電路圖，使充電器實(shí)現(xiàn)4.2 V/8.4 V輸出，然后在單片機(jī)（8051F330）芯片引腳采樣得到充電電流和電壓，進(jìn)行相應(yīng)控制，充電器自動(dòng)識(shí)別端口并充電，充滿后自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指示。最后通過(guò)待充的鋰離子電池進(jìn)行充電測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，3.6 V/7.2 V智能充電器能夠自動(dòng)識(shí)別

3.6 V/7.2 V鋰離子電池并充電，充滿后自動(dòng)關(guān)閉，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和指示充電狀態(tài)。產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單，可靠耐用，具有較好的推廣價(jià)值。

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