基于MAX1898的锂电池快速充电器设计.doc

本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 基于基于 MAX1898MAX1898 的锂电池快速充电器设计的锂电池快速充电器设计 学学 院院 信息工程学院信息工程学院 专专 业业 年级班别年级班别 学学 号号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 年年 月月 摘摘 要要 在我们的日常生活中 手机已经变得越来越重要了 我们经常需要使用手机 打电 话 发短信 上网 看电影 听歌 玩游戏等等 随着大屏幕和高主频的手机出现 锂离子电池就变得更加重要了 其锂离子电池充电器也受到广大消费者的重视 该课题主要是设计一种基于单片机的锂离子电池充电器 在设计上 通过 AT89C51 和 MAX1898 可以控制实现预充 快速充电 及恒压充电 该设计可以监控 充电过程中的各个状态 实现电路简单 成本较低 而且充电效果很好 包括安全性 高 耗时短 对电池损坏小 满足一般用户的要求 本文还对充电器的核心器件 MAX1898 充电芯片 AT89C2051 单片机进行了较详细的介绍 该智能充电器具有检测锂离子电池的状态 自动切换充电模式以满足充电电池的 充电需要 充电状态显示的功能 通过光耦 6N137 可以实现定时切断 MAX1898 的电 源 减少能耗 同时也延长了它的使用寿命 关键词关键词 锂电池 充电器 单片机 AT89C51 MAX1898 Abstract In our daily lives mobile phones have become increasingly important We often need to use the phone making phone calls text messaging Internet watching movies listening to music play games and so on With the advent of large screen and high frequency mobile phone the lithium ion batteries become more important its lithium ion battery charger by the consumers attention The main topic is to design a micro control unit based lithium ion battery charger designed to AT89C51 and MAX1898 can be controlled to achieve the pre charge fast charge and constant voltage charging The design can monitor the charging process in each state the circuit is simple low cost and charge a good effect including the safe time consuming short small battery damage and to meet the requirements of general users The article also has a more detailed introduction to the core of the device MAX1898 charger charging chip AT89C2051 micro control unit The smart charger has a state of the detection of lithium ion battery automatically switch to charging mode to meet the charge of the rechargeable battery charging status display function through the 6N137 can be achieved from time to time to cut off the MAX1898 power supply reducing energy consumption but also extend its service life Key words Lithium battery Charger SCM AT89C51 MAX1898 目目 录录 1 绪论 1 1 1 课题研究的背景 1 1 1 1 二次电池的性能比较 2 1 1 2 镍氢电池 镍镉电池与锂离子电池之间的差异 2 1 2 课题研究的意义 3 1 3 课题研究的主要工作 3 2 电池的充电方法与充电控制技术 5 2 1 电池的充电方法和充电器 5 2 1 1 电池的充电方法 5 2 1 2 充电器的要求和结构 9 2 1 3 单片机控制的充电器的优点 10 2 2 充电控制技术 11 2 2 1 快速充电器介绍 11 2 2 2 快速充电终止控制方法 12 3 锂电池充电器电路设计 15 3 1 系统整体框架 15 3 2 单片机 STC89C52 15 3 3 电源产生芯片 LM7805 16 3 4 充电管理芯片 MAX1898 17 3 4 1 芯片功能介绍 17 3 4 2 引脚功能介绍 17 3 4 3 详细描述 18 3 4 4 应用电路 21 3 4 5 充电过程解析 21 3 5 外部晶体管的选择 22 3 6 光电耦合器 6N137 23 4 锂电池充电器软件设计 25 4 1 程序功能 25 4 2 程序流程图 25 5 总结与展望 28 参考文献 31 致 谢 32 附录 A 33 附录 B 36 附录 C 37 附录 D 38 1 1 绪论绪论 电池若仅定义为能量储存装置 则可包括飞轮和时钟发条等元件 在现代技术中 电池的更精确定义为 能够产生电能的便携 独立化学系统 电池是一种化学电源 是通过能量转换而获取电能的装置 化学电源在氧化还原的电化学过程中将化学能转 化为电能 一次电池是一次性应用的电池 又叫不可充电电池或原电池 从电池单向 化学反应中产生电能 原电池放电导致电池化学成分永久和不可逆的改变 可充电电 池又叫二次电池 可在应用中放电 放电后可由充电器对其进行充电 所以二次电池 储存能量 而不是产生能量 二次电池是多次反复使用的电池 因此这里的二次实际 上是多次的意思 二次电池又称为可充电电池或蓄电池 1 锂离子电池自 20 世纪 90 年代上市以来 它以能量密度高 使用寿命长的特点倍 受重视 基于市场的要求 世界各大电池生产商为了在市场领域里取得优势 无不致 力于开发具有能量密度高 小型化 薄型化 轻量化 安全性高 循环寿命长 低成 本的新型电池 对此 聚合物锂离子电池具有上述各项优点 是各厂商致力研究的目 标 聚合物锂离子电池基于安全 轻薄等特性 广泛应用于便携式设备 所以聚合物 锂离子电池是 21 世纪移动设备最佳的电源解决方案 与液体锂离子电池相比 聚合物锂离子具有较好的耐充放电特性 因此对外保护 电路方面的要求可以适当放宽 在充电方面 聚合物锂离子可以利用 IC 定电流的方式 充电 实现起来也比较容易 本论文从锂电池技术特性 充电技术 充电器电路结构 充电器典型电路和电池 保护等方面 多角度地阐述了充电技术发展和应用 1 1 课题研究的背景课题研究的背景 电池是一种化学电源 是通过能量转换而获得电能的器件 二次电池是可多次反 复使用的电池 它又称为可充电池或蓄电池 当对二次电池充电时 电能转变为化学 能 实现向负荷供电 伴随吸热过程 对于二次电池 其性能参数很多 主要有以下 4 个指标 工作电压 电池放电曲线上的平台电压 电池容量 常用单位为安时 Ah 和 毫安时 mAh 工作温区 电池正常放电的温度范围 电池正常工作的充 放电次数 二次电池的性能可由电池特性曲线表示 这些特性曲线包括充电曲线 放电曲线 2 充放电循环曲线 温度曲线等 二次电池的安全性可用特性的安全检测方式进行评估 二次电池能够反复使用 符合经济使用原则 对于市场上二次电池的种类 大致分为 铅酸 LA 电池 镍镉 NiCd 电池 镍氢 NiMH 电池和锂离子 Li ion 电池 1 1 1 二次电池的性能比较 铅酸 镍镉 镍氢和锂离子电池的性能比较见表 1 1 表表 1 11 1 铅酸 镍镉 镍氢和锂离子电池的性能比较铅酸 镍镉 镍氢和锂离子电池的性能比较 电池类型 工作电 压 V 重量比能量 Wh kg 体积比能 量 Wh L 循环次数 记忆 效应 自放电率 月 铅酸电池2 0 400 600无3 镍镉电池1 250150400 500有15 30 镍氢电池1 260 80240 300 500无25 35 锂离子电 池 3 6120 140300 1000无2 5 1 1 2 镍氢电池 镍镉电池与锂离子电池之间的差异 重量方面 以每一个单元电池的电压来看 镍氢电池与镍镉电池都是 1 2V 而锂 离子电池为 3 6V 锂离子电池的电压是镍氢 镍镉电池的 3 倍 并且 同型电池的重 量锂离子电池与镉镍电池几乎相等 而镍氢电池却比较重 但锂离子电池因端电压为 3 6V 在输出同电池的情况下 单个电池组合时数目可减少 2 3 从而使成型后的电池组 重量和体积都减小 记忆效应 镍氢电池与镍镉电池不同 它没有记忆效应 对于镍镉电池来说 定 期的放电管理是必需的 这种定期放电管理属于模糊状态下的被动管理 甚至是在镍 镉电池荷电量不确切的情况下进行放电 每次放电或者使用几次后进行放电都因生产厂 的不同有所差异 这种烦琐的放电管理在使用镍镉电池时是无法避免的 相对而言 锂离子电池没有记忆效应 在使用时非常方便 完全不用考虑二次电池残余电压的多 少 可直接进行充电 充电时间自然可以缩短 3 自放电率 镍镉电池为 15 30 月 镍氢电池为 25 35 月 锂离子电池为 2 5 镍氢电池的自放电率最大 而锂离子电池的自放电率最小 充电方式 锂离子电池已易受到过充电 深放电以及短路的损害 单体锂离子电 池的充电电压必须严格限制 充电速率 蓄电池的充电电流通常用充电速率 C 表示 C 为蓄电池的额定容量 例如用 2A 的电流对 1Ah 电池充电 充电速率就是 2C 同样地 用 2A 电流对 500mAh 电池充电 充电速率就是 4C 通常不超过 1C 最低放电电压为 2 7 3 0V 如再继续放电 则会损害电池 锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电 采用 1C 充电速率充电至 4 1V 时 充电器应立即转入恒压充电 充电电流逐渐减小 当电池充足电后 进入涓流充电过程 为避免过充电或过放电 锂离子电池不仅在内 部设有安全机构 充电器也必须采取安全保护措施 以监测锂离子电池的充放电状态 2 1 2 课题研究的意义课题研究的意义 本课题研究的对象主要是锂离子电池的充电原理和充电控制 锂离子电池的充电 设备需要解决的问题有 能进行充电前处理 包括电池充电状态鉴定 预处理 解决充 电时间长 充电效率低的问题 改善充电控制不合理 而造成过充 欠充等问题 提 高电池的使用性能和使用寿命 通过加强单片机的控制 简化外围电路的复杂性 同 时增加自动化管理设置 减轻充电过程的劳动强度和劳动时间 从而使充电器具有更 高的可靠性 更大的灵活性 且成本低 本课题研究的意义在于 充分研究锂离子电池的充放电特性 寻找有效的充电及 电池管理途径 使充电设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能 实现充电器具备 强大的功能扩展性 以便为该充电器的后续功能升级提供平台 1 3 课题研究的主要工作课题研究的主要工作 本文主要研究锂电池的充电方法 在此基础上进行系统设计和电路设计 并通过 实验结果对充电控制方法测试验证 具体结构如下 第一章 绪论 首先介绍了课题研究的背景 再介绍了锂电池的特点和在应用中存 在的主要问题及课题研究的意义和主要工作 这是该论文的设计基础 第二章 电池的充电方法与充电控制技术 主要介绍了电池的充电方法和锂电池的 4 快速充电终止控制方法 确保在充电控制过程中不过充 不损坏电池 第三章 锂电池充电器电路设计 选择控制芯片进行介绍和比较 在此基础之上 对该电路的充电控制芯片进行选择 介绍与分析 第四章 通过 C 语言软件编程设计出锂电池快速充电器电路 来实现对锂电池的自 动化控制充电 第五章 对锂电池充电器设计的整个过程和结果进行说明 指出该作品的不足和展 望等 5 2 电池的充电方法与充电控制技术电池的充电方法与充电控制技术 2 1 电池的充电方法和充电器电池的充电方法和充电器 下面先对电池基本参数进行简单的介绍 电池的额定电压 额定电压是指电池正常工作时正极与负极之间的的电压 通常锂 离子电池的额定电压为 3 6V 电池充满电时的电压与电池的阳极材料有关 阳极材料 为石墨时 电池电压为 4 2V 阳极材料为焦炭 电池电压为 4 1V 通常锂离子电池的 铭牌上标识的是加阳极材料的压降后的电压 即通常是 4 2V 或 4 1V 电池容量 电池容量是指电池存储电量的大小 电池容量的单位是 mA h 中文名 称是毫安时 在衡量大容量电池如铅蓄电池时 为了方便起见 一般用 Ah 来表示 中 文名是安时 1Ah 1000mAh 定义是以 20 小时为标准 例如 800mAh 电池是指连续 放电电流为 40mA 放电完毕共耗时 20 小时 另一种是以 W CELL 计算 即单位极板消 耗功率 定义是以 15 分钟为标准 例如 1221W 电池为每一 CELL 供电 21W 可供电 15 分钟 充放电速率 有时率和倍率两种表示法 时率是以充放电时间表示的充放电速率 数值上等于电池的额定容量 安 小时 除以规定的充放电电流 安 所得的小时数 倍率是充放电速率的另一种表示法 其数值为时率的倒数 原电池的放电速率是以经 某一固定电阻放电到终止电压的时间来表示 单位为 C 放电速率对电池性能的影响较 大 一般地 对于每块电池厂家都有规定的充放电速率 充电速率过大 很可能造成 过电流充电 使电池内部消耗较大的能量 产生热能 对电池不利 充电速率过小意 味着充电时间较长 充电速率 电池容量 充电时间及充电电流之间的关系为 充电速 率 充电电流 电池容量 充电速率 1 充电时间 充电时间 电池容量 充电电流 2 1 1 电池的充电方法 1 恒流充电 1 恒流充电 充电器的交流电源电压通常会波动 充电时需采用一个直流恒流电 源 充电器 当采用恒流充电时 可使电池具有较高的充电效率 可方便地根据充电时 间来决定充电是否终止 也可改变电池的数目 恒流电源充电电路如图 2 1 所示 6 2 准恒流充电 准恒流充电电路如图 2 2 所示 在此种电路中 通过直流电源和 电 图2 1 恒流电源充电电路 池之间串联上一个电位器 以增加电路内阻来产生恒定电流 电阻值根据充电末期的 电流进行调整 使电流不会超过电池的允许值 由于结构简单 成本低廉 此种充电 电路被广泛应用充电器中 图2 2 准恒流充电电路 2 恒压充电 恒压充电电路如图2 3所示 恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电压进行充 电 当对电池进行这一充电时 电池两端的电压决定了充电电流 这种充电方式的充 电初期电流较大 末期电流较小 充电电流会随着电压的波动而变化 因此充电电流 的最大值应设置在充电电压最高时 以免造成电池过充电 另外 这种充电方式的充电末期电压在达到峰值后会下降 电池的充电电流将变 大 会导致电池温度升高 随着电池温度升高 电压下降 将造成电池的热失控 损 害电池的性能 7 图2 3 恒压充电电路 3 浮充方式 在浮充方式中 电池以很小的电流 C 30 C 20 进行充电 以使电池保持在满充状 态 浮充方式广泛应用于电池作为备用电源或应急电源的电气设备中 常规浮充方式 充电电路如图2 4所示 图2 4 浮充方式充电电路 4 涓充方式 电池与负载并联 同时电池与电源 充电器 相连 正常情况下 直流电源作为负载 的工作电源 并以涓充方式为电池充电 只有当负载变得很大 直流电源端电压低于 电池端电压或直流电源停止供电后 电池才对负载放电 在这种方式下 充电电流由 使用模式决定 它通常使用在紧急电源 备用电源或电子表等不允许断电的场合 下 图2 5为涓充方式的简单示意图 图 2 5 涓流方式的简单示意图 5 分阶段充电方式 8 在分阶段充电方式中 在电池充电的初始阶段充电电流较大 当电池电压达到控 制点时 电池转为以涓流方式充电 分阶段充电方式是电池最理想的充电方式 但缺 点是充电电路复杂和成本较高 另外 需增设控制点的电池电压的监测电路 分阶段 充电方式的简单示意图如图2 6所示 6 快速充电 在用大电流短时间对电流充电时 需用电池电压检测和控制电路 该电路在电池 充 图2 6 分阶段充电的简单示意图 电末期实时检测电池电压和电池温度 并且根据检测参数控制充电过程 1 电池电压检测 在大电流充电末期 检测电池电压 当电池电压达到设定值时 将大电流充电转成小电流充电 采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量 控制 电路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低 2 V检测 电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进 行控制的 V控制系统框图如图2 7所示 采用 V控制系统的充电控制电路 当 充电峰值电压确定后 若 V检测电路检测的电压降达到设定值 控制电路将使大电 流充电电路分断 电池的充电电流 电池电压和充电时间的关系如图2 8所示 图2 7 V控制系统框图 9 图2 8 充电电池 电池电压和充电时间的关系 3 电池温度检测 电池在充电末期 负极发生氧复合反应产生热量 使电池温度 升高 由于电池温度升高将导致充电电流增大 为控制充电电流 可在电池外壳上设 置温度传感器或电阻等温度检测元件 当电池温度达到设定值时 电池充电电路被切 断 下面图2 9给出了电池温度检测简图和电池温度与充电时间的关系图 3 图2 9 电池温度检测简图 10 图2 10 电池温度和充电时间的关系 2 1 2 充电器的要求和结构 1 充电器的要求 对充电器的要求是 安全 快速 省电 功能全 使用方便 价格便宜 快速充电器 1C 4C 的充电器 的安全更为重要 终止快速充电的检测方法要可靠 精确 以防止过充电 另外 一些充电器集成电路还设有充电时间定时器来作为一种 附加的安全措施 当充电电流较小时可采用线性电源 充电电流较大时常采用开关电源 它既省电 又解决发热问题 并有可能由市电直接整流经 AC DC 变换获得低压直流电 可省去 笨重的工频变压器 还有 充电器应该要有保护功能 过充电保护 锂离子电池充电 过程中电池电压已经达到电池的额定电压 若锂离子电池电压继续上升 则将进入过 充电状态 过充电严重时 锂离子电池肯能引燃或爆炸 过充电保护就是电池电压超 出额定值时 则切断充电电源 停止充电 过放电保护 锂离子电池没有记忆性 但 不能将锂离子电池中的电量全部放完 否则锂离子电池的特性将发生改变 使锂离子 电池的寿命缩短 过放电保护就是锂离子电池电压降到 2 5V 时 停止对负载继续放电 过电流保护 锂离子电池在保管和携带过程中 使用者不慎用金属导体接触锂离子电 池的正 负极使锂离子电池的正 负极短路或者负载的故障导致流过电池的电流过大 11 都会造成爆炸和引燃的危险 过电流保护就是检测流过电池的电流 超过限定值时立 即停止锂离子电池放电 2 充电器的结构框图 早期的充电器是没有处理器的 它主要由充电器集成电路及电源部分组成 其内部 结构较复杂 引脚也较多 一般的功能较完善的充电器结构框图如图 2 11 AA 线右边 所示 2 1 3 单片机控制的充电器的优点 目前 市场上有大量的电池管理芯片 针对充电器开发的电池充电管理芯片业很 多 可以直接使用这些芯片进行充电器的设计 但是 充电器实现的方式不同导致其充电效果不同 由于采用大电流的快速充电法 所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫 过度的过充会严重损害电池的寿命 一些低成本的充电器采用电压比较法 为了防止过充一般充电到 90 就停止大电流快 充 采用小电流涓流补充充电 一般的 为了使得电池充电充分 容易造成过充 表 现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫 电池在充电后期明显发烫一般说明电池 已过充 设计比较科学的充电器采用专业充电控制芯片 具备业界公认较好的 V 检 测 可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号 比较精确地结束充电工作 4 12 图2 11 充电器结构框图 2 2充电控制技术充电控制技术 2 2 1 快速充电器介绍 快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电 常用的充电电流值为 0 3 2 小 时率电流 小时率电流值是由公式 C Ah t h 规定的 其中 C 代表电池额定容量 t 代 表时间 例如用 1 小时率电流对 5 号锂电池快速充电 根据 0 5 Ah 1 h 500 mA 即采用 500mA 的充电电流 一般慢速充电 选用 10 小时率电流 性能完善的快速充电器 其原理图如图 2 12 所示 其中的主控电路有多种类型 1 定时型 对电池进行定时充电 主控电路采用定时电路 定时时间可由充电电流决定 定 时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电 使用 很方便 由于定时器制作容易 所以常用它自制定时快速充电器 自制时 为了充电 13 安全 图2 12 快速充电器原理框图 最好选大于 5 小时率的电流充电 2 电压峰值增量 V 型 有的可充电电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升 但充足电后端电压开 始下降 设计主控电路时 利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降 以控 制充电结束 达到自动充电的目的 这也称为 V 法 由于这种控制电路比较复杂 故不适于自制 3 其他主控电路 主控电路除上述两种以外 还有温度监测和脉宽调制 PWM 控制电路 温度监测 常用热敏电阻监测电池温度 当电池温度高于设定值时 立即停止快速充电 即使电 池温度下降后 充电器也不会启动工作 只有它复位 人工或自动 后 才能启动再次转 人快速充电 2 2 2 快速充电终止控制方法 充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分 根据充电电池的原理 将锂 电池的电压曲线分为三段 具体见图2 13 由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现 在这三段应分别采用不同的控制 方式 具体为 进入B C段之前 电池电量己基本用完 此时采用恒定的小电流充电 当进入B C段时 若采用恒流充电 电流过大会损坏电池 电流过小使充电时间过长 14 根据电压变化情况控制充电电流 使电池充电已满 若此时停止充电 电池会自放电 图2 13 锂电池的充电特性 为防止自放电现象发生 采用浮充维护充电方式 用小电流进行涓流充电 在恒流充电状态下 不断检测电池端电压 当电池电压达到饱和电压时 恒流充 电状态终止 自动进入恒压充电状态 恒压充电时 保持充电电压不变 由于电池内 阻不断变大 导致充电电流不断下降 当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1 10时 终止恒压充电 进入浮充维护充电阶段 电池在充满电后 如果不及时停止充电 电池的温度将迅速上升 温度的升高将 加速板栅腐蚀速度及电解液的分解 从而缩短电池寿命 容量下降 为了保证电池充 足电又不过充电 可以采用定时控制 电压控制和温度控制等多种终止充电的方法 1 定时控制 该方法适用于恒流充电 采用恒流充电法时 根据电池的容量和充电电流 可以 很容易的确定所需的充电时间 充电的过程中 达到预定的充电时间后 定时器发出 信号 使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流 这样可以 避免电池长时间大电流过充电 这种控制方法较简单 但有其缺点 充电前 电池的容量无法准确知道 而且电 池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失 实际的充电时间很难确定 而该方 法充电时间是固定的 不能根据电池充电前的状态而自动调整 结果使有的电池可能 充不足电 有的电池可能过充电 因此 只有充电速率小于0 3C时 才采用这种方法 2 电池电压控制 15 在电压控制法中 最容易检测的是电池的最高电压 常用的电压控制法有 最高电压 VMAX 从充电特性曲线可以看出 电池电压达到最大值时 电池即充 足电 充电过程中 当电池电压达到规定值后 应立即停止快速充电 这种控制方法 的缺点是 电池充足电的最高电压随环境温度 充电速率而变 而且电池组中各单体 电池的最高充电电压也有差别 因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己足充 电 3 电池温度控制 为了避免损坏电池 电池温度上升到规定数值后 必须立即停止快速充电 采用 温度控制法时 由于热敏电阻响应时间较长 再加上环境温度的影响 因此 不能准 确的检测电池的充足电状态 人的感觉器官虽可感觉温度的高低 但具有主观因素 难以量化 为了定量检测功率开关器件温度的高低 应采用温度传感器 温度传感器 有多种多样 常见的有温度继电器 热敏电阻 热电偶和晶体管温度传感器等 5 4 综合控制法 鉴于定时控制 温度控制 最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限性 有 的系统中锂电池的充电终止也采用综合控制法 锂电池是以零增量检测为主 时间 温度和电压检测为辅的方式 系统在充电过程检测有无零增量 V 出现 作为判断电 池已充满的正常标准 同时判断充电时间 电池温度及端电压 是否已超过预先设定 的保护值作为辅助检测手段 当电池电压超过检测门限时 系统会检测有无零增量出 现 若出现 V 则认为电池正常充满 进入浮充维护状态 在充电过程中 系统会一 直判断充电时间 电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件 若其中有一 个条件满足 系统会终止现有充电方式 进入浮充维护状态 6 16 3 锂电池充电器电路设计锂电池充电器电路设计 3 1 系统整体框架系统整体框架 系统主要由 STC89C52 单片机 MAX1898 锂电池充电芯片和光耦 6N137 这三部分和 一些相关的器件组成 如图 3 1 所示 系统连接好锂电池 上电开始工作 单片机就会 给 6N137 一个信号 通过它给 MAX1898 供电开始工作 MAX1898 芯片会检测锂电池的电 压 判断是否需要充电 如果需要充电 则向其充电 同时单片机计算时间 相关指 示灯会亮和闪烁 当电池进入恒压充电阶段或者充电出错时 MAX1898 会发出一个信号 信号经过反相器反转后 输入到单片机的外部中断端 单片机就会做出相应的动作 让指示灯发出相应信号提示使用者 等到系统设定的 3 个小时后 单片机又会向 6N137 发出控制信号 此时就会切断 MAX1898 的电源 停止对锂电池充电 同时指示灯也会 发出信号提醒使用者电池已经充满电 S T C 8 9 C 5 2 M A X 1 8 9 8 反相器 指示灯 锂电池 指示灯 指示灯 6N137 图 3 1 系统框图 3 2 单片机单片机 STC89C52 17 本设计采用 STC89C52 单片机作为系统的处理器 需要用到单片机的外部中断 定 时器中断和普通 I O 口等资源 我们可以通过单片机的外部中断端口检测芯片 MAX1898 发出的信号 通过程序控制 MAX1898 的供电电源和外围的 led 亮与灭 来 展示给使用者 充电器的工作状态 定时器可以用来作为充电器的计时器 当时间到 了 就会切断电源和改变相应的 led 状态 它是 51 系列单片机的一个成员 是 8051 单 片机的升级版 它有几个主要组成部分 中央处理器 存储器 并行 I O 口 定时器 计数器 内部自带 4K 字节可编程 FLASH 存储器的低电压 高性能 COMS 八位微处理 器 与 Intel MCS 51 系列单片机的指令和输出管脚相兼容 由于将多功能八位 CPU 和 闪速存储器结合在单个芯片中 因此 STC89C52 构成的单片机系统是具有结构简单 造价低廉 效率高的微控制系统 节省了成本 提高了系统的性价比 7 STC89C52 芯 片的最小单片机系统如下图 3 2 所示 图 3 2 单片机最小系统 3 3 电源产生电源产生芯片芯片 LM7805 本系统需要外接 12 18V 直流电源供电 通过芯片 LM7805 达到 5 伏电压 向系统 18 供电 端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少 且有一定的电压 电流输出 能够获 得不同的电压和电流 电路内部还有过流 过热及调整管的保护电路 使用起来可靠 图 3 3 lm7805 样品 方便 而且价格便宜 该系列集成稳压 IC 型号中的 lm78 后面的数字代表该三端集成 稳压电路的输出电压 如 lm7806 表示输出电压为正 6V lm7909 表示输出电压为负 9V 因为三端固定集成稳压电路的使用方便 电子制作中经常采用 LM7805 主要特 点 输出电流可达 1A 输出电压有 5V 过热保护 短路保护 输出晶体管 SOA 保护 3 4 充电管理芯片充电管理芯片 MAX1898 本产品采用锂离子电池充电器 IC MAX1898 下面对 MAX1898 进行简单的介绍 MAX1898 和外部晶体管 PNP 或 PMOS 组成一个锂离子充电器 可精确地恒流 恒压充 电 电池电压精度可达 0 75 MAX1898 有两种型号 MAX1898EUB42 应用于 4 2V 的锂离子电池 类似的 MAX1898EUB41 用于 4 1V 的锂离子电池 3 4 1 芯片功能介绍 1 电压精度达 0 75 2 充电电流可控 3 带自动输入电源监视器 4 内部检流电阻 5 LED 充电状态指示器 19 6 可控的安全充电时间 7 电流大小监视输出 8 可选择的自动重启 3 4 2 引脚功能介绍 芯片 MAX1898 的引脚及其功能如下表 3 1 所示 表表 3 1 MAX1898 引脚功能表引脚功能表 引脚号引脚名功能 1IN电压输入端 2HGC 漏极开路 LED 驱动 1 没有电池 LED 灭 2 预充电 LED 亮 3 快 速充电 LED 亮 4 充电完成 LED 灭 5 电池电压小于 2 5V 但预 充电时间 100nF 45min 结束 LED 1 5HZ 闪烁 CT C 3EN OK1 输入 高电平使能 IC 2 输出 高电平表示输入电压接入正确 4ISET 1 与电池充电电流成比例的模拟输出 2 通过设定 ISET 与 GND 之间 的电阻可改变充电电流 5CT安全充电时间控制口 电容 10uF 时 充电时间为 3 小时 6 RSTR T 自动重启控制 如果电池降低电池规定的电压下 0 2V 一个新的充电周 期又开始 接地后自动重启功能有效 充电完成时漏极电流为 40uA 如果悬空 充电时间耗尽 只能通过 EN OK 来触发重启 充电完成时 漏极电流为 4uA 7BATT电池输入端 8GND地 9DRV外部晶体管驱动 该脚接外部 PMOS PNP 的栅极 基极 10CS充电电流输入端 接 PMOS PNP 的源极 极电极 3 4 3 详细描述 MAX1898 开始快充的条件如下 满足任何一个条件即可 外部电源连接上 电池 电压大于 2 5V 电池电压下降到重启电压 4 0V MAX1898EUB42 20 3 9V MAX1898EUB42 EN OK 先置低后置高 IC 复位 预充电结束 电池电压达到 2 5V 电流设定 MAX1898 充电电流通过线性控制外部晶体管 PMOS 或 PNP 最大的充电 电流通过连接 ISET 与 GND 的外部电阻来设定 选择电阻由公式 3 1 计算 其中 fastchg I 单位是安培 set R 单位是欧姆 3 1 set fastchg R I 1400 ISET 可用来实时检测实际的充电电流 ISET 端有 1mA 输出的电流就表明充电电流 为 1A ISET 端的输出电压正比于充电电流 如公式 3 2 所示 3 2 1000 setchg set RI V 在快速充电阶段通常 ISET 端的电压为 1 4V 电池充满时将随着充电电流下降 充 电过程中电压 电流 功耗变化趋势图如下图 3 4 所示 图 3 4 电压 电流 功耗变化趋势图 状态输出 是一个漏极开路输出 可以监视电池的充电状态 有HGCHGCHGC 5mA 的限定电流 LED 可以与固定阻值的电阻连接在 5 伏 VCC 与之间作为充电状态HGC 标志 另外 可以输出逻辑电平 表 3 2 为的状态与各充电状态的对应关系 HGCHGC 8 表表 3 23 2 的状态与各充电状态的对应关系的状态与各充电状态的对应关系 HGC 条件HGC 没有电池接入或没有充电输入高阻抗 LED 灭 预充电阶段电池电压小于 2 5V 充电电流以快速充电电流的 10 低阻抗 LED 亮 快速充电阶段 电池电压大于 2 5V低阻抗 LED 亮 21 充电完成 充电电流下降到 20 快速充电电流或者安全定时器高阻抗 LED 灭 充电错误 充电电压小于 2 5V 而且预充电结束 45min 100uF CT C LED1 5HZ 50 闪烁 充电周期重新开始 当电池电压降到电池额定电压下 0 2V 时 配置 MAX1898 能够 使充电周期自动重新开始 将 RSTRT 接 GND 重启阈值可以通过在 RSTRT 与 GND 间接 外部电阻来降低 假如自动重启不需要 可以悬空 RSTRT 自动重启功能无效 充电只 能通过清零在置高 EN OK 来重新开始新的周期 或者先断开输入电源后重新接入电源 EN OK EN 输入 OK 输出 EN OK 有两种功能 可以作为逻辑输入 高电平 使能 充电 除了开 关控制之外 EN OK 也可以反应出输入电源是否接入 当输入电源接 IN 4 25V EN OK 输出高电平 3V 通过内部上拉 100k 电阻 VBATTVINVIN 因此 EN OK 可以作为输出来反映 AC 适配器接入情况 同时通过漏极开路的驱动可以开 关充电 假如 IN 没有电压或不足 EN OK 将保持低电平 充电将关闭 电池漏极电流 MAX1898 采用 CMOS 电路检测电池状态 最小电流由电池自身提供 当输入电压小于电池电压时 电池漏极电流通常为 3uA 当输入电源存在 充电完成时 漏极电流通常为 40uA 不复位则电流可能降到 4uA 可选择最大充电时间 最大充电时间可以通过外部电容设置 电容接在 CT 与 GND 之间 选择电容用如下公式 3 3 所示 3 3 33 34 hourstnFC CHGCT 最大充电定时就是安全定时 通常不是充电控制循环中的一部分 以 1C 的充电速 率对锂离子电池充电 通常充电时间将近 1 5 小时 但是根据温度的变化和电池类型 的不同充电时间变化很大 在大多数场合 用 1C 速率快速充电推荐 3 小时作为最大充 电时间 以使正常充电不会被充电定时器中断 要详细咨询电池厂商推荐的定时设定 CT 接 GND 充电安全定时功能关闭 同样重启功能和预充电错误提示功能也关闭 可控制的自动重启 当电池电压降到预定水平下时 MAX1898 就自动重启开始充电 大多数定时充电器 一旦充电时间结束 就不能对随后的电池充电 充电将不能重新 开始 除非充电器被外部信号触发 当有充电电源 电池电压下降时自动重启充电 MAX1898 可以保证用后电池不会部分带电 重启功能配置如下 22 悬空 RSTRT 重启功能关闭 一旦充电完成 充电定时结束 充电只能通过在 IN 重 新输入电源或触发 EN OK 自动重启功能关闭 充电完成后电源漏极电流降到 4uA 自 动重启功能开启 则为 40uA RSTRT 接地使能错误重启阈值 MAX1898EUB42 为 4V MAX1898EUB41 为 3 9V 一旦 充电完成 充电时间结束 电池电压下降到重启阈值电压时将重启充电 9 通过在 RSTRT 与 GND 之间连接电阻可以降低重启阈值电压 对于 MAX1898EUB42 有公式 3 4 RSTRT V 在 3V 和 4V 之间 3 4 k V V k kR RSTRT RSTRT 301 37 1 4 1 275 69 对于 MAX1898EUB41 有公式 3 5 RSTRT V 在 3V 和 3 9V 之间 3 5 k V V k kR RSTRT RSTRT 301 37 1 4 1 822 66 3 4 4 应用电路 下图 3 5 是用 PNP 来作为外部连接晶体管 图中 LED 接入 IN 和之间作为充电CHG 状态指示器 BATT 与地之间必须接 10uF 旁路电容 使得锂离子电池平稳地充电 在外 部晶体管漏极 集电极和 BATT 正极之间接一个肖特基二极管 来避免输入电源短路时 电池放电 本系统设计为充电时间 3 小时 最大充电电流 250mA 采用自动重启模式 所以 CT 外接 0 1uF 电容 ISET 外接 5 6K 电阻 RSTRT 直接接地 10 23 图 3 5 MAX1898 连接图 3 4 5 充电过程解析 如下图 3 6 所示 在开始充电阶段 MAX1898 会检测接入电池是否大于锂离子电池 终止放电电压 2 5V 如果电压大于 2 5V 则按正常快速充电 如果电压小于 2 5V 则 充电电流按 10 快速充电电流充电 直到电压达到 2 5V 达到 2 5V 后进入快速充电阶 段 因为内部用一个比较器 将检测电压与 2 5V 作比较 并将结果作为逻辑控制器的 输入 此过程中预充电时间达到充电时间的 1 4 电压还没有超过 2 5V 则充电出错 LED 以 1 5HZ 的频率和 50 的占空比闪烁 充电进入快速充电阶段后 随着电压的上升 充电电流也逐渐下降 当电流下降到设定快速充电电流的 20 时 则快速充电阶段结束 进入恒压充电 等到设定充电时间 则停止充电 充电结束 11 24 图 3 6 充电过程解析图 下图 3 7 为充电过程中为标准化充电电流与电池电压的关系图 标准化电流是以 快速充电电流为 1 其它按占其比例计算 可以看到快速充电阶段是以最大的恒定电流 充电 快速充电结束后 电压基本维持在 4 2V 可认为是恒压充电 电流越来越小直 至充电结束 3 5 外部晶体管的选择外部晶体管的选择 25 图 3 7 电流与电压关系图 MAX1898 用一个外部晶体管驱动来控制充电电流 晶体管 MOSFET 或者三极管 的最重要的参数就是额定电流和功耗 由于 MAX1898 为一个线性充电器 外部晶体管 就会消耗热量 功耗计算公式如公式 3 6 3 6 BATTINFASTCHGDISS VVIP 最不利的条件下功耗如公式 3 7 3 7 5 2 VVIP INFASTCHGMAXDISS 晶体管的额定功率必须是 MAXDISS P 晶体管通常用 P 沟道的 MOSFET 用 PNP 作为外部晶体管 DRV 电流可达 4mA 因此必需要比较合适电流放大倍数来 允许 DRV 驱动三极管的基极 对于 500mA 的快速充电电流 放大倍数应为 125 达林顿 管 PNP 是不推荐使用的 由于稳定性限制 这里我们以 250mA 作为充电电流 对于容量为 800mAh 的锂离子电池充电速率达 0 31 按照公式 1 7 可计算出用 PNP 作为外部晶体管 在最不利的条件下最大功耗为 0 625W 随着充电的进行 PNP 的功耗将逐渐降低 详细充电电压 充电电流及外部晶 体管功耗随时间的变化请见图 1 1 S8550 在常温下功耗可达 0 625 最大集电极电流 可达 500mA 所以符合要求 12 3 6 光电耦合器光电耦合器 6N137 26 光电耦合器 6N137 由一个高发射强度的红外发光二极管和一个高速高增益的光敏 检测集成电路组成 6N137 用于控制充电电源的接入与断开 下图为 6N137 内部电气图 图 3 8 6N137 内部电气图 由于 6N137 输入正向电流为 3mA 即可导通二极管 AT89S51 输出低电压时的灌 电流为 3mA 输出为高电平时的拉电流为 10uA 显然 CATHODE 接地 控制 ANODE 不能 驱动内部二极管 因此 ANODE 接 VCC 控制 CATHODE 可以控制内部二极管的导通 6N137 的接线图如下图 3 9 所示 GATE 端连接单片机的一个 I O 口 5V IN 端连接 MAX1898 的 1 号引脚 VCC 与 GND 之间和与 GND 之间应接一个滤波电容 以滤除高 o V 频干扰 输出电压波动 上拉一个电阻可以实现高低电平的转换和增加 5V IN 的输出 电流 当 GATE 端为低电平时 其内部红外发光二极管点亮 导致输出端为低电平 o V 就可以切断 MAX1898 的电源 当 GATE 端为高电平时 其内部红外发光二极管熄灭 导 致输出端为高电平 就可以向 MAX1898 提供电源 向锂电池充电 o V 27 图 3 9 6N137 接线图 4 锂电池充电器软件设计锂电池充电器软件设计 4 1 程序功能程序功能 基于单片机 STC89C52 和 MAX1898 的智能电池充电器的程序需要完成以下的功 能 系统上电通过 6N137 向 MAX1898 提供电源 使能 MAX1898 开始充电 同时启 动定时器 0 允许外部中断和定时器中断 打开总中断 预充电和恒流充电时 定时器 每过 1 秒就会控制 1 号灯亮 灭 即周期性闪烁 当进入恒压充电状态时 CHG 会发 出高电平 外部中断产生 此时 定时器每过 5 秒就会控制 1 号灯亮 灭 等到计时器 计时到 3 小时时 单片机就会发出一个信号给 6N137 用以切断 MAX1898 的电源 停 止充电 此时 1 号灯就会熄灭 表示充电过程结束 可以取下电池使用 4 2 程序流程图程序流程图 单片机控制的智能充电器的程序流程图如图 4 1 所示 其中初始化包括了接通 MAX1898 的电源 打开总中断 开启外部中断 启动定时器 控制指示灯亮灭等 进 入 While 循环 等待定时器和外部中断 初始化 开始 While循环等待中断 28 图 4 1 程序流程图 外部中断发生后 单片机的动作流程图如下图 4 2 所示 当有外部中断信号到来时 表示进入恒压充电阶段或者充电出错了 此时单片机就会执行产生外部中断后的相应 程序 让指示灯每过 5 秒转变一次状态 提醒使用者 控制1号灯闪烁 提示进入恒压充电 阶段或者充电出错 外部中断产生 返回主程序 继续等待中断 图 4 2 外部中断发生后程序流程图 定时器中断流程图如下图 4 3 所示 进入中断子程序 判断总时间是否到了 3 小时 如果到了就关中断 关断 MAX1898 电源和熄灭 1 号灯 返回主函数 如果没到而且 外部中断没有发生 判断时间是否到了 1 秒 没到就总时间叠加 到了就把 Time 请 0 和总时间叠加 返回主函数 如果没到而且外部中断已经发生了 判断 Times 是否到 了 5 到了就改变 1 号灯状态 把 Times 清 0 总时间叠加 返回主函数 如果 Times 没到 5 则总时间叠加 返回主函数 29 定时器0中断产生 外部中断已经产生 是 Times 5 否