基于KA7500B的智能鋰電池充電器設計

談發(fā)明

(江蘇理工學院電氣信息工程學院，江蘇 常州 213001)

0 引言

近年來，數(shù)碼產(chǎn)品的使用越來越廣泛，鑒于產(chǎn)品的靈活性和方便性需求，便將鋰電池作為主要的能量來源[1]。鋰電池對充電器的要求比較苛刻。普通的鋰電池充電器可能會對鋰電池造成過充或欠充，影響鋰電池的使用壽命，而且充電速度較慢，效率不是很高[2]。

本文設計的智能鋰電池充電器，分階段以恒流或恒壓的充電方式對鋰電池充電，具有過流、過壓保護功能，克服了普通鋰電池充電器的過充或欠充、充電速度慢的問題。

1 系統(tǒng)整體方案

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由主回路、反饋回路、保護電路、人機交互等部分組成[3]。主回路中包括AC/DC轉(zhuǎn)換電路部分，BUCK DC/DC降壓電路部分。AC/DC轉(zhuǎn)換電路包括隔離變壓器降壓、整流橋路整流及濾波。反饋回路則包括電路鋰電池電壓電流采樣部分、小信號放大部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、控制電壓輸出部分。保護電路包括電壓電流檢測及保護等電路。人機交互則包含鍵盤、顯示控制部分。

2 主體電路設計

設計采用KA7500B控制BUCK DC/DC降壓變換，具有在不同充電階段對鋰電池的恒流或恒壓充電功能，具體設計如圖2所示。由于KA7500B的兩路反饋是在KA7500B內(nèi)部是相“與”后再進行控制的，充電器接上鋰電池后，當STC12C5A60S2檢測到鋰電池電壓小于3V時，此時，在KA7500B內(nèi)部只有電流反饋控制輸出脈寬，對鋰電池用恒定100mA電流涓流充電;當STC12C5A60S2檢測到鋰電池電壓大于3V且小于4.2V時，用恒1 000mA電流充電。隨著鋰電池電壓的升高，當STC12C5A60S2檢測到鋰電池電壓等于4.2V時，此時，在KA7500B內(nèi)部只有電壓反饋控制輸出脈寬，以恒壓4.2V對鋰電池充電。當STC12C5A60S2檢測到充電電流減小到小于10mA時，充電器停止工作，充電工作完成。這樣，電路就在不同充電階段實現(xiàn)了對鋰電池的恒流或恒壓充電功能。

2.1 恒流充電設計

恒流過程是鋰電池充電電流流經(jīng)取樣電阻R9后，經(jīng)過分壓電阻R10和R25加到KA7500B的1腳的反饋電壓和2腳設定的基準電壓比較，控制KA7500B的11腳PWM脈寬。

當檢測到電池電壓小于3V時，以I=100mA方式涓流充電，根據(jù)圖2器件參數(shù)由式1計算可知，KA7500B的2腳的基準電壓應設為0.18V;當檢測到電壓介于3V至4.2V時，以恒流I=1 000mA方式充電，v2應設為1.8V。v2由STC12C5A60S2的P1.4口產(chǎn)生PWM 信號經(jīng)過R34，C12及R33，C11構成的D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生。

2.2 恒壓充電設計

恒壓過程是鋰電池的實時電壓經(jīng)分壓電阻R2和R4采樣后加到KA7500B的16腳和15腳設定的基準電壓比較，控制KA7500B的11腳輸出PWM脈寬。

當檢測鋰電池電壓達到4.2V時，以恒壓4.2V對鋰電池充電，根據(jù)圖2器件參數(shù)由式(2)計算可知，KA7500B的15腳的基準電壓應設為2.6V。v2由STC12C5A60S2的P1.3口產(chǎn)生PWM 信號經(jīng)過R31，C9及R32，C10構成的D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生。

2.3 電壓、電流檢測電路設計

鋰電池兩端的實時電壓由圖2中的AD1端口連接至STC12C5A60S2的P1.7口，經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，STC12C5A60S2采集到鋰電池實時電壓值。在系統(tǒng)測試過程中發(fā)現(xiàn)，鋰電池取下后，STC12C5A60S2仍能檢測到AD1端有大于0.2V殘留電壓，會造成誤判，所以，利用1MΩ的電阻R28放電，可以縮短時間差。電阻R1及電容C4起濾波的作用，防止采樣點電壓的波動。

鋰電池充電電流采樣是采樣小阻值電阻R9上的電壓降VR9。充電過程中，由于壓降VR9很小，設計LM358構成的差分放大電路對VR9放大，設放大后的電壓為VI，VI和VR9滿足式(3)。

根據(jù)圖2器件參數(shù)由式(3)計算可知，VI將VR9放大了100倍，VI通過AD0經(jīng)過由R20和C5組成的RC濾波電路送給STC12C5A60S2的P1.6口，經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后。STC12C5A60S2采集到鋰電池的實時充電電流值。

2.4 電池保護電路設計

為了防止系統(tǒng)對鋰電池過充，設計繼電器開關電路。圖2中，STC12C5A60S2的P2.2口控制三極管Q2飽和導通和截止，可以實現(xiàn)充電開啟和斷開的功能，Q2帶載功率有限，需配置繼電器SPDT擴流，還可以擴充觸點的數(shù)量。二極管D7反向接在繼電器的線圈兩端，是保護繼電器不受反峰電壓的沖擊，對繼電器起到保護作用。

3 軟件設計

為了提高編程效率及增強程序可讀性，軟件部分利用C語言編寫，采用模塊化設計，主要包括STC12C5A60S2單片機時鐘，ADC設置，定時器產(chǎn)生PWM波模塊，電池電流、電壓檢測模塊[4]。具體流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

4 實驗測試結(jié)果

普通手機鋰電池標稱額定電壓3.7V是平均值，實際上鋰電池滿電電壓為4.2V，當使用到3.4V以下后，手機出于保護功能自動關機，所以，鋰電池最低電壓一般不會低于3.4V。設計作品利用UTime G7智能手機的鋰電池檢測其性能，該鋰電池標稱容量1 400MA，額定電壓3.7V，限制電壓4.2V。在不同時間點記錄實時電壓、充電電流。驗證該設計在3.4V至4.2V階段精度，檢測充電過程是否符合標準[4]，測試結(jié)果見表1。

表1 手機鋰電池充電測試結(jié)果

5 結(jié)論

采用STC12C5A60S2單片機結(jié)合KA7500B芯片設計構成的BUCK型智能鋰電池充電器，在3.7V至4.2V區(qū)間內(nèi)對手機鋰電池進行1 000mA充電測試，實測充電電流精度離預設1 000mA約有0.5%的誤差。產(chǎn)生的原因主要是由于模擬器件R34，C12及R33，C11構成的D/A轉(zhuǎn)換電路精度不易控制，此外，充電過程還受到溫度環(huán)境影響，但由表1可以看出充電速度比普通手機充電器快1h左右。

[1]馬愛華，張曉冬，張偉.基于AVR的鋰電池智能充電器的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2009，25(5):72－73.

[2]應建華，陳建興，唐仙，等.鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設計[J].微電子學，2008，38(3):445－448.

[3]江超，聞長遠，王雨曦.一種基于 TL494 BOOST型DC－DC電源設計[J].通信電源技術，2009，26(4):39－41.

[4]李冶，陳赫，汪東洋，等.智能鋰電池充電器設計[J].吉林大學學報，2012，30(3):256 －259.