智能快速充电器智能快速充电器摘要： 本文介绍了一种智能快速充电器的设计过程。该充电器基于 Motorola 公司的 MC68HC908SR12 单片机为控制核心，将 SR12 特有的模拟电路模块、 高精度 A/D 转换 、 I 2 C 总线接口以及高速 PWM 等功能运用到充电控制中， 详细讲述了其硬件和软件的设计过程， 并从元器件筛选 、 PCB 板绘制和软 件设计等方面介绍了该 充电器 抑制和防电磁干扰的措施。 关键词： 单片机 A/D 转换 I 2 C 总线 传感器 电磁干扰 1 、引言 随着便携式设备不断小型化、轻量化和高性能化，作为其电源的二次电池的 使用率日益提高。我单位于 1998 年在对 充电器市场 调研后，设计开发了 “ ZXG 99 型智能快速充电器”， 1999 年设计定型，同年投入生产，截止到 2001 年底，已经累计生产了 5000 多部，取得了一定的社会效益和经济效益。 今年又签定了几千部的生产合同，但是随着产量的逐年增加，以及 二次电池市 场的不断变化，该产品在设计中的不足越来越明显。主要有以下几点： a “ ZXG 99 型智能快速充电器”的中央微处理器选择的是 OTP 型 单片 机 ，不 具有片上 FLASH 存储器，程序固化后不能更改，这在产品批量生产 时十分不便，而且随着市场上 二次电池的充电特性不断变化，设计人员要及时 更改充电控制参数或开发新的充电算法，这样对已出厂的产品只能更换新的 MCU ，增加了生产成本； b “ ZXG 99 型智能快速充电器”只能对 镍镉电池（ Nicd ） 和镍氢电 池（ NiMH ）充电，没有涉及锂离子电池，主要原因是当时锂离子电池的普及 率低，价格高。但是锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比、无记忆 效应、可多次重复充电、使用寿命长等优点，促进了便携式产品向更小更轻的 方向发展，使得选用单节锂离子电池供电的产品越来越多，同时其价格也越来 越低。今后二次电池的主流将是锂离子电池，作为一个完整的产品应该将其纳 入到设计中； c 该 OTP 型单片机 的 A/D 采样值只有 8 位，在对电池进行 - V 检 测中精度不够，不能对充电过程实行更精确的控制。 在开发新型智能充电器中，首要环节就是 中央微处理器 MCU 的选型。考虑到 既要增加产品的智能化和实用性 ，又要降低生产成本， 最终决定 选用 Motorola 公司新近推出的 MC68HC908SR12 作为 新型 智能快速充电器的 MCU ，这是因为 SR12 具有模拟电路模块、高精度 A/D （ 10 位）、 I 2 C 总线接口以及高速 PWM 等功能，特别适合开发电池充电器和 SMBus 智能电池， 可极大的减少片外其它元器件的开销，达到降低生产成本的目的，同时也 提高了产品的一致性和可靠性。 2 、概述 2.1 、功能特性 以 MC68HC908SR12 单片机为控制核心； 根据二次电池的充电特性，软件智能识别 镍镉电池（ Nicd ） 、镍氢电池 （ NiMH ） 和锂离子电池（ Li+ ），选择相应的控制模块和算法对其快速充 电； 采用最高端电压 V max 、最高温度 T max 、最长充电时间 t max 、电压 负增长 - V 、温度变化率 T/ t 等快速充电终止法； 能对 1 4 节 镍镉电池（ Nicd ） 、镍氢电池（ NiMH ）单独或同时充 电； 能对 1 2 节 锂离子电池（ Li+ ）单独或同时充电； 充电速率，每 0.1Ah 的充电时间 10min ； 对 镍镉电池（ Nicd ） 、镍氢电池（ NiMH ）采用脉冲充电模式，消除记 忆效应； 对 锂离子电池（ Li+ ）采用恒流转恒压充电模式； 使用具有 I 2 C 接口的高精度数字温度传感器 LM92 ，检测电池温度； 设有过充电保护、过放电保护和过电流保护； 设有电池开路、短路、反接保护； 快速充电结束后自动转入涓流充电模式。 2.2 、系统框图 该智能充电器 以 MC68HC908SR12 单片机为控制核心，主要包括电源电路、 恒流恒压电路、温度检测电路、键盘响应电路以及状态显示电路。图 1 是其系 统框图。 3 、 硬件设计 3.1 、 电源电路 使用开关电源作为充电器的供电设备。 开关电源采用脉冲调制方式 PWM （ Pulse Width Modulation ）和 MOSFET 、 BTS 、 IGBT 等电子器件进行设计。开关电源集成化程度较高，具有调压、 限流、过热保护等功能。同线性电源相比其输入电压范围宽（通常可达交流 85 265V ）、体积小、重量轻、效率高。其缺点是有脉冲扰动干扰，设计电路 板时采用同主控板隔离和添加屏蔽罩等措施，来抑制干扰。 3.2 、恒流恒压电路 恒流恒压电路是智能充电器的关键部分。图 2 是其电路原理图。恒流恒压电路 由 SR12 单片机片内模拟电路模块和片外的 MOSFET 开关管、肖特基二极管、 滤波电感、滤波电容等器件组成。模拟电路模块是 SR12 的特有部件，图 3 为它的结构框图。它由输入多路开关、两组 可程控放大器、片内温度传感器、电流检测电路等组成。可程控放大器总放大 倍数为 1 256 。放大器的输入可选择为两路模拟输入脚（ ATD0 、 ATD1 ）、片内温度传感器、模拟地输入（ V SSAM ）。 ATD0 和 V SSAM 间可接 一个电流检测电阻，用于测量外部电流，它还连接至电流检测电路，可在电流 超过指定值时产生中断并输出信号。 在充电开始前的预处理阶段，根据不同的电池，软件选择相应的充电算法，将 通道选择控制字写入 SR12 单片机的 AMCR 寄存器中，将两级 可程控 运算 放大器的增益值写入 AMGCR 寄存器中。 充电开始后，软件定时采集采样电 阻 R sense 上的电压值，经过计算，设置 SR12 单片机 PWM 的输出参数。 同时，电流检测电路实时检测充电电流，在电流超过指定值时产生中断并将 SR12 单片机的 PTC0/PWM0/CD 端口置为低电平， 及时关断充电电流，实现 恒流恒压的充电控制。 500)this.style.width=500;“ onmousewheel=“return bbimg(this)“http:/www.hx51.com/UploadFiles/200551217055709.gif“ border=0设计中为了减小电流的脉动，降低输出纹波，在体积和成本允许的情况下设计 选用饱和电流比较大的电感，因为当磁芯接近饱和时损耗增大，会降低转换效 率。电感的饱和电流至少应大于充电回路中的峰值电流。同时，电感的直流电 阻会消耗一定的功率，在体积和成本许可的情况下设计选用直流电阻尽量小的 电感。另外对于低噪声应用，为降低电源的 EMI ，设计选用具有闭合磁芯的 电感。 设计中选择滤波电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。滤波电容的等效串 联电阻（ ESR ）是造成输出纹波的主要因素，而且也会影响到转换效率，设 计选用低 ESR 的电容。陶瓷电容和钽电解电容具有较低的 ESR ，也可选用低 ESR 的铝电解电容，但应尽量避免标准铝电解电容。容量一般在 10 F 100 F ，对于较重的负载设计选取大一点的电容。较大容量的滤波电容有利 于改善输出纹波和瞬态响应。 在每次充电周期结束后，充电环路中可以观察到振荡现象。这是由于电感中的 能量全部释放给负载后，在电感自身的寄生电容和引脚分布电容中还储存有一 定的能量，在这些能量的作用下，电容和电感构成的谐振回路将发生振荡，部 分能量将以电磁波的形式向外辐射出去，造成对 SR12 单片 机和其它电路的 干扰，在对噪声敏感的设计应用中必须对其加以抑制。在充电回路中接入肖特 基二极管 D14 来抑制这种 EMI 。具体做法是，当电感中的能量释放完毕后， 通过 D14 使谐振电路处于临界阻尼或过阻尼状态，将剩余能量消耗在 D14 上， 减小电磁辐射，确保 SR12 单片 机正常工作。同时，肖特基二极管 D14 的另 一重要作用是吸收电感的反向电动势，保护 MOSFET 开关管 Q6 。 3.3 、温度检测电路 在快速充电过程中，电池的温度会随着充电容量的增加而上升，尤其在接近充 电终止时，温度变化率 T/ t 最大，该特性是判断电池是否充满的主要条 件之一，因此，及时、快速和准确地检测电池的温度变化是本电路的关键。 本设计选用集成电路温度传感器 LM92 检测电池温度，图 4 为其电路原理图。 同时，利用 SR12 单片机的内部温度 传感器概略监测环境温度，其测温范围 - 20 70 。 图 4 温度检测电路原理图 以往的充电器均多使用热敏电阻作为温度传感器，在本设计中为何舍弃，这是 因为热敏电阻的电压输出与温度并非成线性比，在高温时的电压变化率比较小，不易分辨，而且需依靠查表或加设电路才能得知输出电压与温度的关系，其产 品一致性差，在出厂前需要校正，增加成本。 集成电路温度传感器的参数输出是与温度成线性比，两者之间的关系可以用公 式来表达，故即使在较高的温度范围内，集成电路温度传感器也具有很高的准 确度，设计中需要较少的芯片支持，有助于节省印刷电路板的板面空间，简化 部分系统的设计，加快产品推向市场的时间。 LM92 是美国国家半导体公司出品的单片高精度数字温度传感器。其内部的 12 位温度模数转换器，可将被感应温度的模拟量转换为 0.0625 量化间隔的数 字量，常温下精度可达 0.33 ，并可与用户设置的温度点进行比较。其片内 寄存器可以设置高 / 低的温度窗口门限及临界温度告警门限，当温度偏离设置 门限时，漏级开路中断 INT 及临界温度告警 T_CRIT_A 输出有效信号。通过 I 2 C 总线接口可对该传感器的内部寄存器进行读 / 写操作，最多可允许 4 片 LM92 挂接在同一条串行总线上。 MC68HC908SR12 单片机具有 I 2 C 接口控制模块，使用通道 0 （ SDA0 和 SCL0 ），可十分方便地同 温度传感器 LM92 连接。图 4 为温度检测电路原 理图。 LM92 采用 I 2 C 串行总线和数据传输协议实现同 MC68HC908SR12 单片机 的数据传输。在数据传输的过程中 LM92 为从器件，通过数据输入、输出线 SDA 以及时钟信号线 SCL 与总线相连。其传输时序如图 5 所示。当 SCL 保 持高电平时， SDA 从高电平到低电平的跳变作为数据传输的开始信号，随后 传送 LM92 的地址信息和读 / 写控制位。地址信息的格式为： 根据 A 1 A 0 的不同编码，最多可允许 4 片 LM92 挂接在同一条串行总线 上，分别对应四节充电电池。读 / 写控制位为 1 表示对 LM92 进行读操作， 为 0 表示进行写操作。每个字节传送结束，要收到接收数据一方的应答信号（ ACK ）后方可开始下一步操作。最后，在 SCL 保持高电平的情况下， SDA 从低电平到高电平的跳变作为数据传输的结束信号。 具体操作过程是： MC68HC908SR12 单片机 首先传送开始信号，接着写入 芯片地址信息和读 / 写控制位，之后写入要访问的片内寄存器地址，当收到 LM92 的应答信号（ ACK ）后，再次传送开始信号，并写入芯片地址信息和 读 / 写控制位，当收到 LM92 的应答信号（ ACK ）后，可读 / 写被访问寄 存器的数据，最后传送结束信号。 3.4 、键盘响应电路 设计键盘响应电路时，使用 MC68HC908SR12 单片机 PORT D （ PTD6 和 PTD7 ）端口的键盘中断功能（ KBI ）。根据实际情况，在 MC68HC908SR12 单片机的 键盘中断使能寄存器 KBIE