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1 引言 鋰電池閑其比能量高、自放電小等優點，成為便攜式電子設備的理想電源。近年來，隨著筆記本電腦、PDA，無繩電話等大功耗大容量便攜式電子產品的普及，其對電源系統的要求也日益提高。為此，研發性能穩定、安全可靠、高效經濟的鋰電池充電器顯得尤為重要。 本文在綜合考慮電池安全充電的成本、設計散率及重要性的基礎上，設計了一種基于ATtiny261單片機PWM控制的單片開關電源式鋰電池充電器，有效地克服了一般充電器過充電、充電不足、效率低的缺點，實現了對鋰電池組的智能充電，達到了預期效果。該方案設計靈活，可滿足多種型號的鋰電池充電需求，且ATtiny261集成化的閃存使其便于軟件調試與升級。 2 鋰電池充電特性 鋰電池充電需要控制它的充電電壓，限制其充電電流。鋰電池通常都采用三段充電法，即預充電、恒流寬電和恒壓充電。鋰電池的充電電流通常應限制在1C(C為鋰電池的容量)一下，單體充電電壓一般為4．2V，否則可能由于電聰過高會造成鍵電池永久性損壞。 預充電主要是完成對過放的鋰電池進行修復，若電池電壓低于3V，則必須進行預充電，否剛可省略該階段。這也是最普遍的情況。在恒流階段，充電器先給電池提供大的恒定電流，同時電池電壓上升，當魄池電壓達到飽和電壓對，則轉入憾壓充電，充電電壓波動應控制在50mV以內，同時充電電流降低，當電流逐漸減小到規定的值時，可結束充電過程。電池的大部分電能在慣流及恒壓階段從充電器流入電池。曲上可知，充電器實際上是一個精密電源，其電流電壓都被限制在所要求的范圍之內。 3 硬件電路設計 該系統在電路設計上主要由單片開關電源、控制電路及保護電路三部分組成。 3．1單片開關電源 單片開關電源負責將電能轉化為電池充電所需要的形式，構成了充電器的主要功率轉換方式。與傳統線性充電器大損耗、低效率的缺點相比，由美國Power Integrations公司的TNY268P構成的單片開關電源，其輸入電壓范圍寬(85265VAC)、體積小、重量輕、效率高，其有調壓、限流、過熱保護等功能，特別適合于構成充電電源。其原理圖如圖1所示。 
圖1單片開關電源 該電源采用配穩壓管的光藕反饋電路實現15V的低壓直流輸出，當輸出電壓發生變化時，通過線性光藕PC817的發光管的電流發生相應的變化，使得TNY268P的EN腳流出電流也發生變化，從而控制其片內功率MOSFET的斷、通、調節輸出電壓，使輸壓電壓穩定。具體反饋原理分析詳見后文脈寬調制(PWM)的控制。 在電路結構上，線性光藕PC817，不但可以起到反饋作用還可起到隔離作用。由PNP管Q2和電阻R9、R1O及R12組成的限流電路，則從源頭上防止了過電流的問題。由C6及R11構成的緩啟電路，則有效抑止了電源上電瞬間的產生的電壓尖峰。而二極管D9則防止了電池組的反向放電。此外，對整個充電系統而言，當因意外情況系統失控時，開關電源所提供的15V直流低壓也在某種程度上起到了限制其最高電壓的作用。 3．2控制電路 單片機負責控制整個系統的運行，包括充電電流電壓值的設定，電流電壓的檢測與調整，充放電狀態的顯示等。與專用充電控制芯片相比，單片機控制系統不僅不受電池組容量大小的阻將電流轉換為電壓進行的，因此其PWM控制調整過程與恒限制，還可通過軟硬件配合實現更靈活的綜合控制，也便于進一步的后續開發。 系統控制選用Atmel公司的AVRATtiny261來實現，控制框圖見圖2。ATtiny261采用AVR RISC結構，其大部分指令執行時間僅為1個時鐘周期．可達到接近1MIPS/MHZ的性能；11路lObitADC。且15對具有可編程增益的ADC差分通道，精度高達2.5mV的內置2．56V基準源，3個獨立PWM發生器，片上溫度傳感器，足以滿足設計需求。
圖2系統控制結構框圖 3．2．1志愿檢測 系統電壓采樣采用精密電阻分壓方法，將測量電壓范圍轉換成0-2．56V，然后通過1倍的差分ADC通道轉換成數字信號，在充電過程中將測得的電壓值與預先設定的值進行比較，再控制調整PWM占空比完成對充電電壓的控制與調節。 3．2．2電流檢測 在系統電流的榆測上，由于選用ATtiny261的ADC差分通道，這就要求其正端輸入電壓必須大予負端輸入電壓。困此，在電路設計上，通過串聯在電流主回路中的高精度采樣電阻RsenseB和RsenseA，經ADC2-ADCl和ADCl-ADC0兩對32倍的ADC差分通道(參見圖3)，分別完成對充、放電電流的檢測。可見，差分ADC的選用，既保證了電流采樣的精準，又避免了因電路中引入差分遠放所帶來的功率損耗問題，很好的滿足了系統性能與功耗兩方面的要求，充分體現了ATtiny261的優勢。 3．2．3溫度檢測 溫度檢測確保了安全充電步驟的執行。系統中使用ATtiny261的毖上濕度傳感器，通過ADCIl進行溫度檢測。測量電壓與溫度基本成線性關系，約lmv/°C的精度可提供充分精度的溫度測量。如欲獲得更高精度的溫度檢測，可通過軟件寫入校準值的方法來實現。 3。2。4 PWM控制 設計中，在前述穩壓管反饋控制的摹礎上，在反饋環節中引入PWM的方法控制充電。其基本控制思想是利用單片機的PWM端口，在不改變PWM波周期的前提下，通過電流及電壓的反饋，用軟件的方法調整PWM占空比，從而使電流或電壓按預定的充電流程進行。 因系統進入充電工作狀態后，受鋰電池終止充電電壓的限制，其最高電壓不得高于12．7V，所以開關電源中的穩壓管Zl始終處于截止狀態，充電過程完全由PWM的控制來實現。以恒壓充電為例，在充電電壓調整之前，單片機先快速讀取充電電壓檢測值，然后將設定的電壓值與實際讀取值進行比較，若實際電壓偏高，則提高PWM占空比，使線性光耦PC817的發光二極管的電流1F增大，致使TNY268的EN腳置為低電平，其片內功率MOSFET關斷，輸出電壓降低。反之，則降低PWM占空比->IF減小->EN腳為高電平，片內功率MOSFET接通，輸出電壓升高。在預充電，恒流充電階段對電流的調整，是通過采樣電阻將電流轉換為電壓進行的，因此其PWM控制調整過程與恒壓階段完全類似。當充電結束時，PWM持續輸出占空比為1的高電平，關斷TNY268P的片內MOSFET，中斷功率轉換回路，實現充滿后自動停充。 為保證采樣的準確，盡量避免由于ADC的讀數偏差和電源工作電壓等引入的波紋干擾，所有采樣點都經過阻容濾波處理，并在軟件PWM的調整過程中采用了數字濾波技術。 3.2.5 按鍵與顯示 充電器的功能按鍵響應由ATtiny261的外中斷來實現，與LED顯示相配合可獲知池放電狀況，并提醒系統即將終止。系統充放電的每個狀態都與相應LED顯示對應。可根據電壓檢測判斷是否有電池裝入及提供電池短路保護，并給出LED報警信號。 3．3保護電路 由于鋰電池的化學特性，在使用過程中，其內部進行電能與化學能相互轉化的化學正反應。但在菜蝗條件下．如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內部發生化學副反應，該副反應加劇則會嚴重影響鋰電池的性能與使用壽命，甚至會引起爆炸而導致安全問題，因此鋰電池保護電路顯得至為重要。 如圖3所示，該電路選用精工的多節鋰電池保護芯片S8233構成，可對電池電壓和回路電流進行有效監測，并通過對MOS管FET-A或FET-B的控制在某些條件下關斷究、放電回路以防止對電池發生損害。與其它電池保護芯片如S8254相比較，S8233還可通過外接MOS管FET1，FET1及FET3來保證鋰電池組的充電平衡，這是其它類似芯片所不具備的優點。通過單片機對S8233芯片CTL端子的控制，可實現對鋰電池的故障保護。
圖3電池保護電路 4 軟件設計 系統軟件采用匯編語言編寫，并在AVR Studio4環境下編譯調試完成。整個系統軟件內充電主程序和中斷服務子程序組成。主程序主要完成系統、變量及看門狗定時器的初始化．控制系統實現充電功能。單片機完成初始化后，根據電池狀況判斷應該進入哪一個充電階段，然后通過AD采樣與中斷響應完成PWM的調整，實現相應階段的控制。主程序流程見圖4。程序中通過AD中斷子程序來改變PWM占空比，定時中斷子程序來控制最大充電時間，外中斷來判斷電池組放電狀態。
圖4 主程序流程 5 實驗測試結果
圖5 電池充電測試熱線 實驗中采用750mA恒流對3節1500mAh的鋰電池組進行充電，充電電流．電壓測試曲線如圖5所示。實驗結果她示，由單片開關電源實現AC-DC的轉換，通過ATtiny261與S8233保護芯片的相互配合與控制所實現的鋰電池充電器，滿足了3節鋰電池組的充電要求，取得了較好的充電效果。 6 結束語 由于AVR ATtiny261良好的性價比，使得產品的智能性與應用性大大提高，且縮短了開發時闊．降低了開發成本。并且，系統采用綜合控制的軟件算法，避應了不同型號及容量的鋰電池需求機電路集成度高，結構簡單，性能可靠，經濟輕便，具有很大的實用價值。此外，在系統現有功能實現的基礎上，充分利用ATtiny261的片內外資源，通過其所具有的12C通信功能，可以很方便的升級為智能電源管理系統，直接成用于各種便攜式電子設備。 本文作者創新點：采用PWM控制的單片開關電源實現充電，大大提高系統效率；基于AVRATtiny261的控制核心搜綜合控制的軟件算法，使系統控制更加靈活，便于進一步升級開發。 作者：馬愛華，張曉冬，張偉 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年笫2-2期 |
