智能充电器设计（单片机方案）

充电器为人们的外出和出差办公提供了极大的方便。

单片机在电池充电器领域也有着广泛的应用，利用它的处理控制能力可以实现充电器的智能化。充电器的种类繁多，但从严格意义上讲，只有单片机参与处理和控制的充电器才能称为智能充电器。

随着手机在世界范围内的普及使用，手机电池充电器的使用也越来越广泛。

本次设计将通过一个典型的势力介绍51单片机在实现手机电池充电器方面的应用。设计所实现的充电器是一种智能充电器，它在单片机的控制下，具有预充、充电保护、自动断电和充电完成报警提示功能。

1.3  本设计功能模块
本设计的功能模块主要如下：

1）单片机模块：实现充电器的智能化控制。比如自动断电、充电完成报警提示等。

2）充电过程控制模块：采用专用的电池充电芯片实现充电过程的控制。

3）充电电压提供模块：采用电压转换芯片将外部+12V电压转换为需要的+5V电压。

4）C51程序：单片机控制电池充电芯片实现充电过程的自动化，并根据充电的状态给出有关的输出指示。

第2节  系统设计思路分析
充电的实现，它包括两部分：一是充电过程的控制；二是需要提供基本的充电电压。

2.1 智能化的实现
在充电器电路中引入单片机的控制。它为什么需要实现充电器的智能化呢？

充电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90％就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。

手机电池的使用寿命和单次使用时间与充电过程密切相关。锂电池是手机最为常用的一种电池，它具有较高的能量重量比、能量体积比，具有记忆效应，可重复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。锂电池对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。为了有效利用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。

一部好的充电器不但能在短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降(电池活性衰退)现象。设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方法。专用的充电芯片具备业界公认较好的-△v 检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。

2.2 电池充电芯片的选择
2.2.1 如何选择电池充电芯片

目前市场上存在大量的电池充电芯片，它们可直接用于进行充电器设计。在选择具体的电池充电芯片时，需要参考以下标准。

1)电池类型：不同的电池(锂电池、镍氢电池、镍镉电池等)需选择不同的充电芯片。

2)电池数目：可充电池的数目。

3)电流值：充电电流的大小决定了充电时间。

4)充电方式：是快充、慢充还是可控充电过程。

本设计要实现的是手机的单节锂离子电池充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力，据此选择Maxim 公司的MAXl898 作为电池充电芯片。

2.2.2 芯片MAX1898 的特点

MAXl898 配合外部PNP 或PMOS 晶体管可以组成完整的单节锂电池充电器。

MAX1898提供精确的恒流/恒压充电，电池电压调节精度为±0.75％，提高了电池性能并延长了电池使用寿命。充电电流可由用户设定，采用内部检流，无须外部检流电阻。 MAXl898 提供了充电状态的输出指示、输入电源是否与充电器连接的输出指示和充电电流指示。MAXl898 还具有其他一些功能，包括输入关断控制、可选的充电周期重启(无须重新上电)、可选的充电终止安全定时器和过放电电池的低电流预充。

MAXl898 的关键特性如下：

1)    简单、安全的线性充电方式。

2)    使用低成本的PNP 或PMOS 调整元件。

3)    输入电压：4.5～12V。

4)    内置检流电阻。

5)    ±0.75％电压精度。

6)    可编程充电电流。

7)    输入电源自动检测。

8)    LED 充电状态指示。

9)    可编程安全定时器。

10)  检流监视输出。

11)  可选/可调节自动重启。

12)  小尺寸uMAX 封装。

2.2.3 MAX1898 的充电工作原理

充电芯片MAXl898 的内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。输入电流调节器用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流。当检测到输入电流大于设定的门限电流时，通过降低充电电流从而控制输入电流。因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求，同时也简化了输入电源的设计。 MAXl898 外接限流型充电电源和P 沟道场效应管，可以对单节锂电池进行安全有效的快充，其最大特点是：在不使用电感的情况下，仍能做到很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时问的限制可为锂电池提供二次保护。MAX1898 的浮动方式能够使电池容量充至最大。

当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程；充电结束的条件是平均的脉冲充电电流达到快充电流的 1％，或时间超出片上预置的充电时间。MAXl898 能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后打开外接的P 型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P 型场效应管打开的时问会越来越短。充电结束时，指示灯将会按12%的周期闪烁，MAX1898 的典型充电电路如下图图2-1所示电路具体说明如下。

图2-1  MAX1898的典型充电电路

1）输入电压范围为 4.5～12v。锂电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般可采用直流电源外加变压器。

2)通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。

3)通过外接的电容 CcT 来设置充电时间 tCHG。这里的充电时间指的是快充时的最大充电时间，它和定时电容CcT 的关系如下式所示：

CcT=34.33×tCHG                                                  (2-1)

式中，tCHG 的单位为小时，CcT 的单位为Nf。大多数情况下，快充时最大充电时问不超过3 小时，因此常取CcT 为100nF。

4)在限制电流的模式下，通过外接的电阻 RSET 来设置最大充电电IFSTCHG，关系如下式所示：IFSTCHG=1400/Rset 式中，RSEI-的单位为Q，IFSTCHG 的单位为A。

当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程。平均的脉冲充电电流低于设置的快充电流的20％，或者充电时间超出片上预置的最大充电时问时，充电周期结束。MAXl898 能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后，打开外接的P 型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P 型场效应管打开的时JI 间会越来越短。充电结束时，LED 指示灯将会呈现周期性的闪烁，具体的闪烁含义如表1所示。

表2-

1  MAX1898 典型充电电路的LED 指示灯状态说明

充电状态
LED指示灯电池或充电器没有安装

预充或快充

亮

充电结束

灭

充电出错

频率闪烁

第3节  系统主要硬件电路设计

   硬件电路设计主要围绕充电芯片MAXl898 展开，而单片机控制部分的电路简单。

3.1  主要器件

本设计的核心器件是MAXl898。MAXl898 可对所有化学类型的Li+电池进行安全充电，它具有高集成度，在小尺寸内集成了更多功能，尽可能多地覆盖了基本应用电路，只需要少数外部元件。MAXl898 为10 引脚、超薄型的MAX 封装，其引脚分布如图3-1 所示：

图3-1 MAXl898引脚分布

其引脚功能如下：

IN(1 脚)：传感输入，检测输入的电压或电流；

CHG(2 脚)：充电状态指示脚，同时驱动LED；

EN/OK(3 脚)：使能输入脚/输入电源“好”输出指示脚。EN 为输入脚，可以通过输入禁止芯片工作；OK 为输出脚，用于指示输入电源是否与充电器连接；

ISET(4 脚)：充电电流调节引脚。通过串接一个电阻到地来设置最大充电电流；

CT(5 脚)：安全充电时间设置引脚。接一个时间电容来设置充电时间，电容为 100nF 时，几乎为3 个小时，此引脚直接接地将禁用此功能；

RSTRT(6 脚)：自动重新启动控制引脚。当此引脚直接接地时，如果电池电压掉至基准电压阈值以下 200mV，将会重新开始一轮充电周期。此引脚通过电阻接地时，可以降低它的电压阈值。此引脚悬空或者 CT 引脚接地(充电时间设置功能禁用)时，自动重新启动功能被禁用；

BATT(7 脚)：电池传感输入脚，接单个 Li+电池的正极。此引脚需旁接一个大电解电容到地；

GND(8 脚)：接地端；

DRV(9 脚)：外部晶体管驱动器，接晶体管的基极；

CS(10 脚)：电流传感输入，接晶体管的发射极。

本设计的单片机芯片选用Atmel 公司的AT89C52，它完全可以满足要求。

另外，由于充电器外部为+12V 供电，因此需要通过电压转换芯片将+12V 电压转换为 +5V 电压，这里选用三端电压转换芯片LM7805 来完成此功能。

为了降低电源干扰，保持电路的稳定，在LM7805 完成电压转换，将+5v 充电电源送给 MAXl898 之前，先经过一次光耦模块 6N137 的处理，通过单片机对光耦模块的控制，可以及时关断充电电源。6N137 的引脚分布如图3-2 所示：

图3-2  6N137 的引脚分布

其引脚功能如下：

NC(1 脚、4 脚)：悬空；

+(2 脚)、-(3 脚)：发光二极管的正、负极；

GND(5 脚)：接地端；

OUTPUT(6 脚)：输出脚；

EN(7 脚)：使能脚。为低时，无论有无输入，输出都为高。

不使用时，悬空即可；

VCC(8 脚)：电源输入脚。

3.2  电路原理图及说明

硬件电路由单片机电路、电压转换及光耦隔离电路、充电控制电路3 部分组成。单片机部分的电路原理图如下图3-3 所示。

图3-3  单片机部分的电路原理图

图3-3中，ul 为单片机AT89C52，工作在11．0592MHz 时钟；u2 为蜂鸣器，蜂鸣器由单片机的P2．1 脚控制发出报警声提示；单片机的P2．O 脚输出控制光耦器件，在需要的时候可以及时关断充电电源；单片机的外部中断O 由充电芯片MAXl898 的充电状态输出信号/ CHG 经过反相后触发。

下图3-4 所示的为电压转换及光耦隔离部分电路的原理图。