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1 引言 鋰電池閑其比能量高、自放電小等優(yōu)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(tǒng)的要求也日益提高。為此，研發(fā)性能穩(wěn)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(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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(fā)生變化時，通過線性光藕PC817的發(fā)光管的電流發(fā)生相應的變化，使得TNY268P的EN腳流出電流也發(fā)生變化，從而控制其片內功率MOSFET的斷、通、調節(jié)輸出電壓，使輸壓電壓穩(wěn)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(tǒng)而言，當因意外情況系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)的顯示等。與專用充電控制芯片相比，單片機控制系統(tǒng)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(xù)開發(fā)。 系統(tǒng)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(zhí)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(fā)生器，片上溫度傳感器，足以滿足設計需求。
圖2系統(tǒng)控制結構框圖 3．2．1志愿檢測 系統(tǒng)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(jié)。 3．2．2電流檢測 在系統(tǒng)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(lián)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(tǒng)性能與功耗兩方面的要求，充分體現了ATtiny261的優(yōu)勢。 3．2．3溫度檢測 溫度檢測確保了安全充電步驟的執(zhí)行。系統(tǒng)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(wěn)壓管反饋控制的摹礎上，在反饋環(huán)節(jié)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(tǒng)進入充電工作狀態(tài)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(wěn)壓管Zl始終處于截止狀態(tài)，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(fā)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(xù)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(tǒng)即將終止。系統(tǒng)充放電的每個狀態(tài)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(fā)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(jié)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(jiān)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(fā)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(yōu)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(tǒng)軟件采用匯編語言編寫，并在AVR Studio4環(huán)境下編譯調試完成。整個系統(tǒng)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(tǒng)、變量及看門狗定時器的初始化．控制系統(tǒng)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(tài)。
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(jié)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(jié)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(fā)時闊．降低了開發(fā)成本。并且，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，直接成用于各種便攜式電子設備。 本文作者創(chuàng)新點：采用PWM控制的單片開關電源實現充電，大大提高系統(tǒng)效率；基于AVRATtiny261的控制核心搜綜合控制的軟件算法，使系統(tǒng)控制更加靈活，便于進一步升級開發(fā)。 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 |
