基于PIC16F883的鋰電池智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2014-05-11 11:17:58何薇薇

通信電源技術(shù) 2014年1期

何薇薇，徐園

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山528436）

0 引言

隨著全球工業(yè)化的進(jìn)程，人類(lèi)對(duì)能源的需求在不斷增長(zhǎng)，能源危機(jī)日益加劇。太陽(yáng)能是資源最豐富的可再生能源，它分布廣泛、可再生、不污染環(huán)境，是國(guó)際公認(rèn)的理想替代能源。隨著太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)超薄、超輕的光伏電池在便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用也得到了很大發(fā)展。

內(nèi)置鋰離子電池［1］的太陽(yáng)能充電器擺脫了傳統(tǒng)充電方式的束縛，節(jié)能與環(huán)保，具有良好的發(fā)展前景。本文的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)［2］智能控制的，能夠?yàn)槭謾C(jī)、MP3、PDA等電子設(shè)備提供直充電源的太陽(yáng)能充電器。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)充電器主要包括太陽(yáng)能電池、鋰離子電池、充電電路、放電電路、控制電路5個(gè)組成部分。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

該充電電路是一個(gè)Buck變換器及其驅(qū)動(dòng)，由它把太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能進(jìn)行變換后對(duì)鋰離子電池充電，Buck的驅(qū)動(dòng)脈沖由單片機(jī)輸出，并由單片機(jī)控制其工作。

放電電路是一個(gè)有關(guān)閉模式的集成Boost變換器，它將鋰離子電池的端電壓進(jìn)行升壓，使充電器輸出的電壓適合于給手機(jī)、MP3等電子產(chǎn)品充電。

控制電路主要包括單片機(jī)及其外圍電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路和供電電源。控制電路實(shí)現(xiàn)的功能是：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)采樣的充電電流信號(hào)，調(diào)節(jié)Buck變換器占空比以實(shí)現(xiàn)充電電流的控制，當(dāng)沒(méi)有充電電流輸出時(shí)關(guān)閉Buck以減少電路損耗；根據(jù)采樣的鋰離子電池電壓信號(hào)進(jìn)行充電過(guò)程的控制，實(shí)現(xiàn)脈沖方式的充電，并進(jìn)行過(guò)充保護(hù)，以及使能或關(guān)閉放電電路防止過(guò)放；根據(jù)采樣的鋰離子電池溫度信號(hào)實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)，當(dāng)溫度超出正常工作范圍時(shí)，暫停充電。

圖1 鋰電池充電系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文采用的鋰離子電池充電方法［3］包括預(yù)充電、快速充電、脈沖充電三個(gè)階段。當(dāng)鋰離子電池端電壓低于3 V時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行預(yù)充電處理。當(dāng)鋰離子電池端電壓≥3 V時(shí)，可直接進(jìn)入快速充電階段。當(dāng)鋰離子電池端電壓達(dá)到4.2 V時(shí)，進(jìn)入脈沖充電階段，在此階段間歇關(guān)閉充電電路使電池電壓保持在4.2 V左右。鋰離子電池的放電電壓區(qū)間設(shè)為3.3～4.2 V，當(dāng)電池端電壓低至3.3 V時(shí)關(guān)閉放電電路，防止過(guò)放電。

2.1 充電電路設(shè)計(jì)［4］

充電主回路如圖2所示，包括太陽(yáng)能電池、屏蔽二極管、Buck變換器和鋰離子電池。

圖2 充電電路原理圖

Buck變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確保“磁路”不會(huì)飽和，因此電感應(yīng)該在最不利工作條件下設(shè)計(jì)，即電感電流最大。對(duì)于Buck變換器，電感平均電流總是等于負(fù)載電流Io，因此它的最?lèi)毫忧闆r還要考慮輸入電壓最高的情況，此時(shí)電感電流的峰值最大。對(duì)本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最不利條件發(fā)生在變換器輸入功率最大，鋰離子電池端電壓最小，此時(shí)輸出負(fù)載電流最大。可得電感量L：

其中：

式中：Iomax為負(fù)載電流最大值；Dm為太陽(yáng)能電池輸出峰值功率，鋰離子電池端電壓最小時(shí)的占空比；Uomin為Buck最小輸出電壓值；Upvm為太陽(yáng)能電池輸出峰值功率時(shí)的電壓值；UDs為屏蔽二極管的壓降；Ipvm為太陽(yáng)能電池輸出峰值功率時(shí)的電流值；r為電感電流紋波比；f為Buck的工作頻率；η為變換器效率，并假定為90%。

將下列參數(shù)代入到式（1）～（3）：Uomin＝ 3 V，Upvm＝11 V，Ipvm＝0.15 A，UDs＝0.35 V，r＝0.4，f＝31.25 kHz，可計(jì)算出L＝359.7μH，實(shí)驗(yàn)中取值為390μH。電感值選定后，r又會(huì)相應(yīng)變化，根據(jù)式（1）重新計(jì)算出r＝0.369。

2.2 放電電路設(shè)計(jì)

放電電路的輸入電壓為鋰離子電池的端電壓，其工作范圍從3.3 V～4.2 V，為保護(hù)鋰離子電池，當(dāng)電壓低至3.3 V時(shí)，關(guān)閉放電回路。放電電路的輸出為手機(jī)、PDA等設(shè)備提供5 V～5.5 V的直充電源，因此放電電路需要用一個(gè)Boost變換器，選擇LINEAR公司的集成Boost變換器LTC3402，如圖3所示。

放電電路穩(wěn)壓輸出為5.3 V／500 mA。電路有兩種關(guān)閉模式。第一種模式由手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)S1。當(dāng)充電器需要輸出電源為手機(jī)等設(shè)備充電時(shí)，閉合S1；當(dāng)充電完畢后，斷開(kāi)S1，防止放電電路繼續(xù)消耗功率。第二種模式由單片機(jī)自動(dòng)控制。單片機(jī)對(duì)鋰離子電池的端電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)內(nèi)部比較器比較后輸出高電平或低電平。當(dāng)電壓在3.3～ 4.2 V 之間時(shí)，PIC16F883單片機(jī)的6腳輸出高電平，Boost電路正常工作。當(dāng)電壓小于3.3 V時(shí)，6腳輸出低電平，關(guān)閉Boost電路，防止電池繼續(xù)放電。同時(shí)給出電池缺電指示燈，等待手動(dòng)切斷S1開(kāi)關(guān)。

圖3 放電電路原理圖

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

PIC16F883是Microchip公司于2006年推出的PIC16F88X系列單片機(jī)中的一個(gè)型號(hào)。PIC16F883單片機(jī)不僅集成了本電路所需要的PWM脈沖調(diào)制模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、模擬比較器，而且芯片設(shè)計(jì)采用納瓦技術(shù)，具有非常良好的低功耗特性，待機(jī)電流低至50 nA。另外它還有多個(gè)可將單片機(jī)從休眠模式下喚醒的中斷源，進(jìn)一步減少了功耗，非常適合電池供電系統(tǒng)的使用。其引腳功能如圖4所示。

圖4 PIC16F883引腳功能圖

在數(shù)字控制電路中，必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，通常由A／D轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱(chēng)ADC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。PIC16F883單片機(jī)內(nèi)部集成了11通道10位分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器，因此不需要外接A／D轉(zhuǎn)換芯片。

（1）電流采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電流的主要作用是為了實(shí)現(xiàn)鋰離子電池充電電流最大，因此采樣電阻R17串聯(lián)在電池充電回路中，采樣電阻上的壓降與充電電流的大小成正比。采樣電路如圖5所示。

（2）電壓采樣電路設(shè)計(jì)

電壓采樣電路對(duì)鋰離子電池的電壓進(jìn)行采樣，采樣電壓是充放電控制的依據(jù)。鋰離子電池的最高電壓為4.2 V，對(duì)其進(jìn)行兩次分壓，第一次分壓后采樣信號(hào)的最大值為2.8 V，輸入單片機(jī)的AN2模擬通道進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的值判斷鋰離子電池應(yīng)該進(jìn)入預(yù)充電、快速充電還是脈沖充電。第二次分壓后采樣信號(hào)的最大值為2.16 V，該信號(hào)作為單片機(jī)內(nèi)部比較器的反相輸入信號(hào)，與內(nèi)部參考電壓比較，再通過(guò)軟件設(shè)置將比較結(jié)果反轉(zhuǎn)后，由單片機(jī)6腳輸出給Boost變換器的引腳，控制Boost電路工作或關(guān)閉。電壓采樣電路如圖6所示。

圖5 電流采樣電路圖

圖6 電壓采樣電路圖

（3）溫度采樣電路設(shè)計(jì)

為了防止鋰離子電池超溫工作，必須采樣電池溫度。溫度采樣通過(guò)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù) （NTC）熱敏電阻實(shí)現(xiàn)。電阻貼在電池表面中心位置，因此得到的溫度是電池表面溫度。采用的熱敏電阻在額定溫度25℃時(shí)的電阻值為47 kΩ，熱敏指數(shù)B值為3 950 K（25／50），精度±3%。溫度采樣電路如圖7所示，熱敏電阻與電阻R29并聯(lián)后再與R28串聯(lián)，當(dāng)NTC阻值變化時(shí)，送給A／D轉(zhuǎn)換通道AN11的采樣電壓值也發(fā)生變化。若采樣得到的電壓值超過(guò)0.94～2.2 V的范圍，單片機(jī)會(huì)關(guān)閉充電電路，暫停充電，直到電池溫度恢復(fù)正常為止。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)控制的核心，而所有的控制命令都要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)以下控制功能：

（1）充電過(guò)程的轉(zhuǎn)換與控制。充電過(guò)程包括預(yù)充電、快速充電、脈沖充電三個(gè)階段，必須使充電電路在這三個(gè)階段之間正確轉(zhuǎn)換，并在每個(gè)階段執(zhí)行不同的控制策略，使鋰離子電池合理充電。

圖7 溫度采樣電路原理圖

（2）正確判斷鋰離子電池是否充滿，充滿后充電器進(jìn)入休眠狀態(tài)。若充電器電源按鈕一直接通，則當(dāng)電池電壓下降到重復(fù)充電值后自動(dòng)重新開(kāi)始充電過(guò)程。

（3）在整個(gè)充電過(guò)程中一直監(jiān)測(cè)鋰離子電池的溫度，并進(jìn)行過(guò)溫保護(hù)。

（4）進(jìn)行放電控制。

主程序流程設(shè)計(jì)如圖8所示，在主程序中主要完成系統(tǒng)初始化、開(kāi)中斷、調(diào)用充電子程序、充電完成處理等功能。初始化子程序中要進(jìn)行變量、I／O端口、C1比較器、PWM、定時(shí)器、中斷的初始化。初始化完成后，啟動(dòng)C1比較器中斷，并根據(jù)鋰離子電池的電壓轉(zhuǎn)入預(yù)充、快速或脈沖充電子程序。UBATT＿M(jìn)AX是鋰離子電池的終止充電電壓，設(shè)為4.2 V。UBATT＿M(jìn)IN是快速充電的起始電壓，設(shè)為3 V。當(dāng)充電完成后，置充電指示燈為綠燈，然后將其余端口設(shè)為低電平，修改比較器基準(zhǔn)電壓為4 V，關(guān)閉全局中斷使能位，單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)。