基于单片机控制的锂电池充电模块

1、目 录 摘 要.3 引 言.5 1 概述.6 1.1 课题研究的背景.6 1.2 锂电池充电特性.6 2 理论计算.7 2.1 方案论证与比较.7 2.1.1 BUCK 降压电路选择.7 2.1.2 电流控制.7 2.1.3 总体方案设计.8 2.2 理论分析与计算.9 2.2.1 输出电流分析与计算.9 2.2.2 BUCK 电路元件参数分析与计算.10 2.2.3 BUCK 电路输出效率分析计算.12 2.2.4 NTC 负温度系数电阻计算.13 2.2.5 PI 控制原理 .15 3 系统设计.19 3.1 供电电源设计.19 3.2 BUCK 降压电路设计.20 3.3 控制显示电路设

2、计.23 3.4 输出电压、电流检测电路设计.24 3.5 输出恒定电流电路设计.26 3.6 过温、过压保护电路设计.30 4 软件设计.34 4.1 软件设计原理及设计所用工具.34 4.2 软件设计结构图.35 5 系统测试.36 5.1 主要测试仪器、仪表.36 5.2 系统测试.36 5.2.1 测试方法.36 5.2.2 测试参数记录表及测试数据.36 5.3 测试结果分析.37 6 结论.38 总结与体会.39 谢 辞.39 参考文献.40 附录.41 程序源代码.41 电路原理图.51 PCB 设计图 .52 实物图.52 摘摘 要要 电子技术的飞速发展使得各种各样的电子产品都

3、朝着便携式和小型轻量化的 方向发展，也使得更多的电子产品采用基于电池的供电系统。目前，较多使用的 电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池，它们的各自特点决定了它们将在相当长 的时期内共存与发展。由于不同类型电池的充电特性不同，通常对不同类型，甚 至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器，但这在实际使用中有许多不便。 本设计以单片机 STC12C5A60S2 为控制核心，系统由供电电源电路、BUCK 降 压电路、控制显示电路、输出电压/电流检测电路、输出恒定电流电路、过温/过 压保护电路等部分组成。实现了电池充电、LED 指示、液晶显示、保护机制及异 常处理等充电器所需要的基本功能。本文对锂离子电

4、池的参数特性、充电原理与 充电方法进行了详尽的描述，并提出了充电模块的设计思想和系统结构。该电路 具有安全快速充电功能，可以广泛应用于室内外锂离子电池的充电，如手机、数 码产品电池等。 【关键词】锂电池 STC12C5A60S2 锂电池的参数特性 充电原理与充电方 法 Abstract Electronic technologys fast development causes that various electronic products towards portable type and the small lightweight direction. It also causes th

5、e more electrification products to use power supply system which is based on battery. At present, a lot of used batteries contain the nickel cadmium, the nickel hydrogen, the lead accumulator and the lithium battery. Their respective characteristics have decided that they will coexist in a long time

6、 development. Due to different types of batteries charge characteristic differently. In general, to different type, even different voltage, capacity rank battery use different battery chargers, but it leads some inconveniences in the actual use. The control core of the design is the single chip STC1

7、2C5A60S2 . The system is composed of a power supply circuit, BUCK circuit, display circuit, output control voltage / current detection circuit, output constant current circuit, over temperature / overvoltage protection circuit. The basic function of achieving the battery charging, LED indicator, liq

8、uid crystal display, protection mechanism and exception handling charger is realized. In this paper, the charging parameter characteristics of lithium ion battery、charging principle and charging method is not only described in detail but also putting forward the design idea and system structure of t

9、he charging module. The circuit provides safe and fast charging function, which can be widely used in indoor and outdoor lithium ion batteries, such as mobile phone, digital products and so on. Keywords: Lithium-ion battery; STC12C5A60S2; the charging parameter characteristics of lithium ion battery

10、; charging rinciple and charging method 引 言 随着社会的快速发展，电子产品小型化、便携化也使得充电电池越来越重要， 锂离子电池有较高的比能量，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿命长，具有良 好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害 物质，对环境无污染，被称为绿色电池。基于这些特性，所以锂电池得到了迅速 的发展和广泛的应用。锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的静止变流装 置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。 本文在综合考虑电池安全充电及成本的基础上，设计了一种基于 STC12C5A60S2 单片机

11、PWM 控制的单片开关电源式锂电池充电模块，有效地克 服了一般充电器过充电、充电不足、效率低等缺点，实现了对锂电池组的智能充 电，达到了预期效果。该方案设计灵活，可满足多种型号的锂电池充电需求。 1 概述 1.1 课题研究的背景 充电器是为化学电池设计的理想产品，它们使电池的三项关键指标达到最 优化，即容量、寿命和安全性。正是锂离子电池在各个领域越来越广泛的应用， 推动了对锂离子电池充电器的研究。 目前一些大的厂家生产的充电器都具有以下特点：具备限流保护，电流短 路与反充保护线路设计，自动、快速充电、充满电后自动关断等等。有的还具 有 LED 充电状态显示、低噪声、模拟微电脑控制系统等特点。由

12、于锂离子的 特点使得其对充电器的要求比较苛刻。其要求的充电方式是恒流恒压方式，为 有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电 池损坏，这就要求较高的控制精度（精度高于 1） 。 另外，对于电压过低的电池除了需要进行预充、充电终止检测、电压检测 外，还需采用其他的辅助方法，作为防止过充的后备措施，如检测电池温度、 限制充电时间，为电池提供附加保护，由此可见实现安全高效的充电控制已成 为锂离子电池推广应用的目标。 1.2 锂电池充电特性 锂电池充电需要控制它的充电电压，限制其充电电流。锂电池通常都采用 三段充电法，即预充电、恒流充电和恒压充电。锂电池的充电电流通常应限制

13、在 1C(C 为锂电池的容量)以下，单体充电电压一般为 42V，否则可能由于电 压过高造成锂电池永久性损坏。 预充电主要是完成对过放的锂电池进行修复，若电池电压低于 3V，则必须 进行预充电，否则可省略该阶段，这也是最普遍的情况。在恒流阶段，充电器 先给电池提供大的恒定电流，同时电池电压上升，当电池电压达到饱和电压时， 则转入恒压充电，充电电压波动应控制在 50mv 以内，同时充电电流降低，当 电流逐渐减小到规定的值时，可结束充电过程。电池的大部分电能在恒流及恒 压阶段从充电器流入电池。由此可知，充电器实际上是一个精密电源，其电流 电压都被限制在所要求的范围之内。 2 理论计算 2.1 方案论

14、证与比较 基于单片机控制的锂电池充电模块，选择 LM2576-ADJ 集成电源芯片基于 BUCK 降压电路原理构成 BUCK 降压电路，系统输入电压为 10V25V，输出 电流为 1.5A。微处理器选择 STC12C5A60S2 单片机；电流检测由 INA168 集成 电流检测芯片完成，并将检测结果送到微处理器 IO 口，通过 PI 算法程序控制 反馈电路使得输出电路电流维持在 1.5A， LCD1602 液晶显示电路电流大小； 输出电压检测经过分压电阻送到 STC12C5A60S2 单片机自带的 10 位 AD 转换 IO 口，经 AD 转换将数据送到 P0 口，并在液晶上显示电压大小。电路

15、过温、 过流保护均由 LM339 比较器完成。过压保护是在锂电池电量充满，电池两端电 压超过额定电压时控制电源芯片 0N/0FF 引脚使电源停止工作，进而实现停止充 电；过温保护由 NTC（负温度系数）温度传感器执行，电池温度超过 60 时 停止充。 2.1.1 BUCK 降压电路选择 方案一：采用 LM2576-ADJ 集成电源芯片构成 BUCK 电路的恒流源控制系 统。LM2576-ADJ 输入电压在 7 V40 V，FeedBack 引脚电压恒定 1.23 V，输 出电压稳定可调，电路设计和控制简单。 方案二：选用 MOSFET 场效应管构成 BUCK 降压电路，处理器产生 PWM，调节

16、 PWM 占空比控制电源输出电流大小。 方案比较：方案一 LM2576-ADJ 集成电源芯片，可直接构成 BUCK 电路， 电路设计简单，输出电流容易控制，工作稳定，可实现普通 BUCK 电路参数。 方案二 MOSFET 构成的 BUCK 电路对场效应管选择范围广，不同场管由于性 能不同外围辅助电路要求也不一样。大多数场效应管需要外加驱动电路，PWM 输入要求有稳定的占空比，最终设计参数的实现对电路各个反面设计都有一定 的要求。结合以上分析，系统 BUCK 降压电路设计最终选择方案一。 2.1.2 电流控制 方案一：用 STC12C5A60S2 两路 AD 转换器采集采样电阻两端电压值，最 终

17、得到采样电阻两端电压，利用公式 I=U/R 计算得到电路中电流大小，通过计 算测得的电流值与设定电流值大小比较，判断比较结果由程序控制完成对电路 电流控制参数补偿使电流输出恒定为 1.5 A。 方案二：使用集成电流检测芯片 INA168 检测流过采样电阻的电流大小， 输出端由 STC12C5A60S2 单片机转换器完成转换，测得的电流值通过 PI 控制 算法程序调节电流控制电路实现电流输出 1.5 A。 方案比较：方案一，采样电阻两端电压太小，AD 采样最终得到的检测电 流不理想，普通的补偿控制达不到系统设计要求。方案二 1NA168 为电流检测 专用芯片，检测精确度高，能准确检测电路中电流的

18、大小，使用 PI 控制算法 控制电流，使得系统响应速度和质量都得到了提高，是一种比较常用且择优的 控制选择方法。因此系统中电流控制选择方案二。 2.1.3 总体方案设计 由上述方案论证及方案选择可知，其总体方案框架如图 1、图 2 所示： 是 由场效应管构成 BUCK 降压电路 微处理器 STC89C52 过压、过温检 测 LCD1602 液晶显示 AD 装换器对电 压采样，完成 AD 转换 10V25 V 直流电源 5 V 电源 图 1 方案一总体方案框架图 是 否 由 LM2576-ADJ 集成元件构 成 BUCK 降压电路 微处理器 STC12C5A60S2 过压、过温检测 LCD160

19、2 液晶显示 输出电压电流检测 10 V25 V 直流电源 5 V 电源 开启保护电路断开保护电路 结合方案比较综合考虑最终选选择方案二。 2.2 理论分析与计算 2.2.1 输出电流分析与计算 LM2576-ADJ 能构成易于调节和控制的 BUCK 电路。LM2576-ADJ 引脚 4 为 FeedBack，该引脚感知调整输出电压进行反馈回路。由该引脚和运算放大器 构成的反馈回路能通过编程实现电路恒定电流输出。同相放大器同相端输入电 压大小为采样电阻上的分压大小，即 V+=IsRs，根据同相放大器（图 3）原理 可列出计算式： 图 2 方案二总体方案框架图 图 3 根据同相放大器 （1） R

20、av VVbf V V 由设计电路关系计算可得 Is*Rs=1.23/Rav，设计中 Rs 大小为 0.1 欧姆（精 度 1）的采样电阻，因此可得 Is=12.3/Rav，在公式（1）中电阻单位为 K，通 过调节 Rav 的值可实现对输出电流的控制。系统要求输出电流大小为 1.5 A，计 算可得 Rav 的取值为 8.2 K，选择合适的编程求出电阻 R1 和 R2 的值。 输出电压为：Vout=Vref（1.0+R2/R1） Verf=1.23V 2.2.2 BUCK 电路元件参数分析与计算 经典 BUCK 电路如图 4 所示，电路主要组成部分有：场效应管（开关元件） 、电感（储能元件） 、电

21、容、续流二极管。通过开关管的开通和断开，在储能元 件的作用下实现降压。控制开关时间的比例可实现对输出电压和电流的控制， 电路设计中开关元件的通断控制通常以 PWM 控制为主要选择方法，微处理器可 产生占空比可调的 PWM 波形。 图 4 经典 BUCK 电路图 在系统设计中 BUCK 降压电路由集成芯片 LM2576-ADJ、电感、电容构成。 电路结构如图 5 所示。 输入电容 C5 分析、计算与选择 1 防止电压瞬变在输入中影响转换器稳定运行，铝或钽电解电容之间需要输 入引脚+ VIN 和接地引脚 GND，该电容应位于靠近 IC 且使用短引线。电路设 计中考虑输入电压大小为 10 V25 V

22、 之间，结合安全裕量最后选择 1000 uF/50 V 的点检电容。 续流二极管 D3 的分析、计算与选择 2 由于二极管的最大峰值电流超过最大负荷调节电流，钳位二极管电流等级 必须为至少 1.2 倍的最大负载电流。一个强大的二极管设计，应该有一个额定 电流相等的最大电流限制，LM2576 能够经受连续输出短路。.二极管的反向电 压等级应至少 1.25 倍的最大输入电压。系统设计负载输出电流为 1.5A，最大输 出电压为 8.4 V，因此设计中续流二极管选择 INA5822。 电感 L1 的分析、计算与选择 3 由以下公式可计算电感 E X T=（Vin -Vout）Vout/Vin x 10

23、6 / FHz （2） 计算出的 E X T 值与相应的匹配对电感值的选择垂直轴数如图 6 所示。这 个 E X T 常数是一个能量处理能力和测量电感都取决于类型的核心、核心区、 匝数和占空比。 图 5 BUCK 降压电路图 VinOUT GND FB ON/OFF LM 2576 U2 + 1000uF C5 + 1000uF C6D3 1N5822 150uH L1 GND Vin FB c co on ns st ta an nt t c cu ur rr re en nt t p po ow we er r ON/OFF 470 R13 3.3K R14 Q0 8050 下一步是确定区

24、域分割的电感 E X T 值和对负载电流最大值。从电感的电 感值的代码及识别。然后从表 1 中选择一个合适的电感。电感的选择必须额定 的开关 52 kHz 和 1.15 倍负载电流的额定电流。电感电流额定值可计算电感的 峰值电流： Ip（max）=ILode（max）+(Vin-Vout)ton/2L （3） Ton 为电源开关时间： Ton= Vout/ Vin1/fosc （4） Inductor Code Inductor Value The 39Shott CorpPulse EngRenco L4747 uH77 212671 26980PE-53112RL2442 L6868 uH

25、77 262671 26990PE-92114RL2443 L100100 uH77 312671 27000PE-92108RL2444 L150150 uH77 360671 27010PE-53113RL1954 L220220 uH77 408671 27020PE-52626RL1953 最后分析计算电路中取 150 uH 的工字形电感。 2.2.3 BUCK 电路输出效率分析计算 输出电流 1.5 A，电压为 8.4 V，输出功率 P = IU = 1.58.4 = 11.6 W 。 电路中有电感、续流二极管、电容和 LM2576-ADJ 造成以发热的形式为主的功 率损耗。电路设计

26、要求充电电源效率不得低于 70%。 图 6 E X T 值与相应的匹配对电感值的选择垂直轴数 表 1 电感的电感值代码 2.2.4 NTC 负温度系数电阻计算 热敏电阻的电阻温度特性可近似地用公式 5 表示。 R=Ro exp B(I/T-I/To) （5） 表 2 热敏电阻的电阻温度特性 但实际上，热敏电阻的 B 值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异， 最大甚至可达 5 K/C。因此在较大的温度范围内应用公式 5 时，将与实测值之 间存在一定误差。此处，若将公式 5 中的 B 值用公式 6 所示的作为温度的函数 计算时，则可降低与实测值之间的误差，可认为近似相等。 BT=CT2+DT+E

27、 (6) 上式中，C、D、E 为常数。另外，因生产条件不同造成的 B 值的波动会引 起常数 E 发生变化，但常数 C、D 不变。因此，在探讨 B 值的波动量时，只需 考虑常数 E 即可。 常数 C、D、E 的计算： （7） ToTn RoRnIn Bn 11 )/( （8） )31)(32)(21( )21)(32()32)(21( TTTTTT TTBBTTBB C （9） 21 )21)(21(21 TT TTTTCBB D （10）1111TCTDTDE 常数 C、D、E 可由图 2-5 的(温度、电阻值)数据 (T0, R0). (T1, R1). (T2, R2) and (T3,

28、R3)，通过式 710 计算。 首先由式 7 根据 T0 和 T1,T2,T3 的电阻值求出 B1,B2,B3,然后代入以下各式。 电阻值计算实例： R温度 T(K)时的电阻值 Ro温度 T0(K)时的电阻值 B温度 T0(K)时的电阻值 *T(K)= t(C)+273.15 试根据电阻温度特性表，求 25C 时的电阻值为 5 (k)，B 值偏差为 50(K)的热敏电阻在 10C30C 的电阻值。 步骤： 根据电阻温度特性表，求常数 C、D、E。 1 To=25+273.15 T1=10+273.15 T2=20+273.15 T3=30+273.15 代入 BT=CT2+DT+E+50，求

29、BT。 2 将数值代入 R=5exp (BTI/T-I/298.15)，求 R。 3 *T = 10+273.1530+273.15 电阻温度特性图如图 7 所示 电阻温度系数： 所谓电阻温度系数()，是指在任意温度下温度变化 1C(K)时的零负载电阻 变化率。电阻温度系数()与 B 值的关系，可将式 11 微分得到。 （11）（/%100 2 100 1 T B dT dR R 这里 前的负号()，表示当温度上升时零负载电阻降低。经过时间与热 敏电阻温度变化率的关系如下表所示。 表 3 热敏电阻温度变化率 t 12 1 TT TT t63.2% 2t86.5% 3t95.0% 4t98.2%

30、 图 7 电阻温度特性 图 8 热敏电阻温度变化率 目录记录值为下列测定条件下的典型值。 表 4 热敏电阻典型值 另外应注意，散热系数、热响应时间常数随环境温度、组装条件而变化。 2.2.5 PI 控制原理 PI 设计过程部分包括检测比较、控制器、执行器。通过比较测量值与给定 值产生偏差信号，控制器对偏差信号修正处理，执行器对输出部分调整并控制， 使系统实现自我调整、稳定工作。 图 9 PI 控制原理图 比例(P)控制 5t99.4% (1) 静止空气中环境温度从 50 C 至 25 C 变化时，热敏电阻的温度变 化至 34.2 C 所需时间。 (2)轴向引脚、径向引脚型在出厂状态下测定。 （

31、12）)()(tKpetU 比例控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差。除了系统控制输入为 0 和 系统过程值等于期望值这两种情况，比例控制都能给出稳态误差。当期望值有 一个变化时，系统过程值将产生一个稳态误差。但是比例控制不能消除稳态误 差。比例放大系数的加大会引起系统的不稳定。 响应曲线图如图 10 所示： 图 10 比例(P)控制阶跃响应 积分(I)控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 为了减小稳态误差，在控制器中加入积分项，积分项的误差取决于时间的 积分，随着时间的增加积分项会增大。这样，即使误差很小，积分项也会随着 时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使

32、稳态误差进一步减少，直到等 于零。 积分(I)和比例(P)通常一起使用，称为比例+积分(PI)控制器，可以使系统在 进入稳态后无稳态误差。如果单独用积分(I)的话，由于积分输出随时间积累而 逐渐增大，故调节动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕下降。 响应曲线图如图 11： 图 11 积分(I)控制和比例积分(PI)控制阶跃相应 比例+积分(PI)控制器 （13） t 0 dt) t ( 1 1 )()(e T teKptU 比较： PI 比 P 少了稳态误差，PID 比 PI 反应速度更快并且没有了过冲。PID 比 PI 有更快的响应和没有了过冲。 自动测试方法： 为了确定过程的临界周

33、期 Pc 和临界增益 Kc，控制器会临时使它的 PI 算法 失效，取而代之的是一个 ON/OFF 的继电器来让过程变为振荡。这两个参数很 好的将过程行为进行了量化以决定 PID 控制器应该如何调整来得到理想的闭合 回路性能。 由 STC12C5A60S2 单片机组成的数字控制系统控制中，PI 控制器是通过 PI 控制算法实现的。STC12C5A60S2 单片机 A/D 对信号进行采集，变成数字信号， 再在单片机中通过算法实现 PI 运算，再把控制量反馈回控制源。 PI 调节程序如下： ypedef struct PI double SetPoint; / 设定目标 Desired value

34、double Proportion; / 比例常数 Proportional Const double Integral; / 积分常数 Integral Const double LastError; / Error-1 double PrevError; / Error-2 double SumError; / Sums of Errors PI; /*= PI 计算部分 =*/ double PICalc( PI *pp, double NextPoint ) double dError, Error; Error = pp-SetPoint - NextPoint; / 偏差 pp-S

35、umError += Error; / 积分 pp-PrevError = pp-LastError; pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * Error / 比例项 + pp-Integral * pp-SumError / 积分项 ); /*= Initialize PI Structure PI 参数初始化 =*/ void PIInit (PI *pp) memset ( pp,0,sizeof(PI); 3 系统设计 3.1 供电电源设计 BUCK 电路输入直流电源电压为 10 V25 V，系统中 STC12C5A60S2、LCD1

36、602 液晶显示、TPL0501 等供电由 LM7805 将 10 V25 V 的输入电压稳定后提供。 用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，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、方便，而且价格便宜。 该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输 出电压，如 7806 表示输出电压为正 6 V，7909 表示输出电压为负 9 V。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 的内部框图 为图 12，其电参数如表 5。 图 12 LM7805 的内部框图 表 5 LM7805 的

37、电参数 系统设计原理图如图 13： GND 5V + +5 5V V P Po ow we er r + 1000uF C4 VinOUT GND FB ON/OFF U1 LM2576 + 100uF C2 D1 1N5822 100uH L2 Vin 图 13 系统设计原理图 3.2 BUCK 降压电路设计 BUCK 电路基本结构如下： 主要组成元件包括开关元件、储能元件、续流二极管。通过控制场效应管 的开通和关断，在开通时输入电源直接对负载供电，关断后储能元件中储存电 能对负载供电。开关导通时等效电路和开关关断时等效电路如图 14 所示。 参数符号测试条件最小值典型值最大值单位 Tj=2

38、5 4.85.05.2V 50mAI01.0A, P015W输出电压V0 Vi=7.5V to 20V 4.755.00 5.25 V Tj=25, Vi=7.5V to 25V 4.0100mV 线性调整率V0 Tj=25, Vi=8V to 12V 1.650mV Tj=25, I0=5.0mA to 1.5A 9100mV 负载调整率 V0Tj=25, I0=250mA to 750mA 450mV 静态电流IQ Tj=25 5.08mV I0=5.0mA to 1.0A0.030.5mV 静态电流变化率 IQ Vi=8V to 25V0.30.8mV 输出电压温漂 V0/T I0=5.

39、0mA0.8 mV/ 输出噪音电压VN f=10HZ to 100kHZ,Ta=25 42uV 纹波抑制比RRf=120HZ, Vi=8V to 18V6273dB 输入输出电压差V0 I0=T1.0A ,j=25 2V 输出阻抗R0f=1kHZ15 m 短路电流Isc Vi=35V, Ta=25 230mA 峰值电流Ipk Tj=25 2.2A 图 14 开关导通时等效电路和开关关断时等效电路 从电路可以看出，电感 L 和电容 C 组成低通滤波器，使 us(t)的直流分 1 量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波

40、ur(t)。 电路工作频率高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波 ur(t) 很小， 2 相对于电容上输出的直流电压 Uo 有：|ur（t）|0 电容上电压可以看作恒定。 电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，可以 看作是恒定直流。 一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周 3 期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延 续直至达到充、放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电 荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电 压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充、放电平衡，最终维持电

41、压不变。 这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平 衡，电容上充、放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。 开关开通时，电感电流增加，电感储能；而当开关关断时，电感电流减 4 小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁 链增量为： =L（t）0 ；此增量将产生一个平均感应电势：u=/t0 此 电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致 一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的 状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量） 为零的现象称为：电感伏秒平衡。

42、这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普 遍规律。 系统设计中选用 LM2576-ADJ 集成芯片构成 BUCK 电路。稳压器 LM2576-ADJ 是单片集成电路的理想适合于开关稳压器的简单方便的设计 Buck 变换器。使用 LM2576-ADJ 集成芯片组成 BUCK 电路使整个电路设计更加简单， 输出电流电压易于控制。系统设计中利用 LM2576-ADJ FeedBack 引脚实现对恒 定电流输出的控制。 续流二极管 IN5822 具有正向电流大，反向电压高等特点。 LM2576-ADJ 引脚图如图 15： 图 15 LM2576-ADJ 引脚图 LM2576 内部结构图如图 16： 图

43、16 LM2576 内部结构图 本系统的 BUCK 电路输入电压为 10 V25 V，使用主要元件有：输入电容、 LM2576-ADJ、电感、输出电容、续流二极管（IN5822） 。 电路设计原理图如图 17： VinOUT GND FB ON/OFF LM2576 U2 + 1000uF C5 + 1000uF C6D3 1N5822 150uH L1 GND Vin 0.05 R1 OUT GND Vin+ Vin- V+ INA168 U4 5V R7 GND FB c co on ns st ta an nt t c cu ur rr re en nt t p po ow we er

44、r 0.1uF C10 GND AD1 ON/OFF 100K R11 100K R12 470 R13 1 2 P-RL 1 3 2 8 4 OPA2134A U7 1K R16 5V FB GND HW 3.3K R14 VOUT AD2 Q0 8050 图 17 BUCK 降压电路图 电路设计中输入电容和输出电容选择 1000 uF/50V 电解电容，电感选择 150 uH 工字形电感，续流二极管选择 IN5822。 1N5822 正向电流为 3 A，反向电压 20 V40 V。 3.3 控制显示电路设计 系统控制器使用 STC12C5A60S2 单片机，通过编程 PI 算法对输出电流控

45、 制使输出电流恒为 1.5 A 输出。输出电压、输出电流显示由编程将数据送到单 片机 P0 口，编程控制在 LCD1602 液晶上显示出系统输出电压、输出电流。 STC12C5A60S2 最小系统控制电路设计原理图如图 18： 12 X1 30pF C7 30pF C8 GND + 10uF C9 S1 10k R5 5V GND SCLK DIN 0.1uF C14 AD2 2 3 4 5 6 7 8 9 Com 1 RIP 5V GND LED0 470 R8 470 R9 470 R10 LED1 LED2 MMC CU U EX_LVD/RST2 31 X1 19 X2 18 RESE

46、T 9 RD/P37 17 WR/P36 16 P32/INT0 12 P33/INT1 13 P34/T0 14 P35/T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 NA 29 ALE 30 P31/TXD 11 P30/RXD 10 VCC 40 GND 20 STC12C5A60S2 U3 P24 P26 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 LCDEN