3.6 V/7.2 V 鋰離子電池智能充電器設(shè)計

0 引 言

充電器是為電池充電的設(shè)備 [1-2]，多選用 3.6 V 和 7.2 V規(guī)格的鋰離子電池 [3]。電子產(chǎn)品一般匹配兩套充電設(shè)備，且充電器本身不具有充電狀態(tài)識別、顯示、控制功能，電池充滿與否依賴電子產(chǎn)品內(nèi)部自帶的電源管理程序控制。該類普通充電器通用性弱、可靠性低，因電池極易過充而引起的電池損耗較大。

針對市場上充電器存在的缺陷，本文設(shè)計了一款智能充電器，能夠自動識別插入槽內(nèi)的電池規(guī)格，自動完成充電并指示充電狀態(tài)。既能給 3.6 V 鋰離子電池充電又能給 7.2 V鋰離子電池充電，當電池失效或者電路故障時，會有紅燈閃爍告警。充滿后自動關(guān)閉且指示燈變綠。

1 智能充電器結(jié)構(gòu)

圖 1 所示為智能充電器的結(jié)構(gòu)，在智能充電器內(nèi)，除了具有普通充電器具備的 AC/DC 模塊外，還具有微機單元（8051F330）控制充電狀態(tài)功能，8051F330 通過采樣得到充電端口電壓和充電電流，再與程序設(shè)置的電壓電流比較、判 斷、控制電子開關(guān) 2SC945 通斷來控制充電與指示燈顯示狀態(tài)。充電端口根據(jù)識別電池規(guī)格自動切換 3.6 V 或 7.2 V 電池充電，并由對應(yīng)的指示燈顯示。

2 單片機 8051F330 控制程序設(shè)計

智能充電器程序流程如圖 2 所示。

2.1 設(shè)計條件

（1）輸入電壓范圍 ：交流 176 ～ 264 V ； （2）輸入頻率 ：（50±3）Hz ； （3）設(shè)計充電電壓 ：直流 4.2 V/8.4 V ； （4）設(shè)計充電電流 ：（1±10%）A ； （5）充電方式 ：選用先恒流后恒壓充電方式，充滿后自動關(guān)斷結(jié)束。

2.2 設(shè)計過程

2.2.1 AC/DC 電源模塊設(shè)計

AC/DC 電源模塊采用由 TOP224 芯片控制的反激變化電路，輸出電壓由輸出可調(diào)的分壓電阻切換兩種規(guī)格，即 4.2 V或 8.4 V，電路如圖 3 所示。

2.2.2 單片機 8051F330 端口地址分配

單片機 8051F330 的 1 腳與數(shù)字電位器 CAT5113 的 1 腳連 接，2 腳 接 GND，3 腳 與 3.3 V 電源連接，4 腳 和 5 腳 與 JTAG 口連接，6 腳與數(shù)字電位器 CAT5113 的 7 腳連接， 7 腳與充電電流信號連接，8 腳與 AC/DC 輸出電壓采樣連接，9 腳懸空，10 腳與充電器的輸出端口電壓采樣連接，11 腳～ 15 腳與充電器指示燈連接，16 腳與 3.6 V/7.2 V 三極管 2SC945 連接，17 腳～ 18 腳懸空，19 腳與充電器電壓反饋連接，19 腳與數(shù)字電位器 CAT5113 的 2 腳連接，分配電路如圖 4 所示。

2.2.3 充電電流電壓采樣

3.6 V/7.2 V 智能充電器電流采樣時，通過 LT6107 芯片連接并將輸出信號發(fā)送到單片機 7 腳，該充電器充電電壓由輸出端口發(fā)送至單片機 10 腳。充電電流電壓采樣電路如圖 5所示。

2.2.4 單片機 8051F330

3.6 V/7.2 V 智能充電器單片機 8051F330 通過在充電初始時檢測電池端口電壓來判別電池規(guī)格，并由 18 腳發(fā)送K_8.4 V/4.2 到三極管，切換為與電池匹配的分壓電阻，并由單片機 8051F330 的 9 腳發(fā)送信號 K 到三極管以控制充電輸出。單片機控制電路如圖 6 所示。

2.2.5 充電狀態(tài)顯示

3.6 V/7.2 V 智能充電器設(shè)計兩個共陰發(fā)光二極管，以此觀察充電狀態(tài)的顯示，其中一個發(fā)光二極管對應(yīng) 3.6 V 充電狀態(tài)，另一個發(fā)光二極管對應(yīng) 7.2 V 充電狀態(tài)。當插入 3.6 V未充滿的鋰離子電池時，對應(yīng) 3.6 V 指示燈為紅燈，表示在充電狀態(tài)，充滿后變?yōu)榫G燈，當出現(xiàn)故障或者電池性能下降嚴重時，則紅燈閃爍作為故障告警。當插入 7.2 V 未充滿的鋰離子電池時，對應(yīng) 7.2 V 指示燈為紅燈，表示在充電狀態(tài)，充滿后變?yōu)榫G燈，當出現(xiàn)故障或者電池性能下降嚴重時，紅燈閃爍作為故障告警。

3 智能充電器充電測試驗證

為了驗證以上理論設(shè)計，利用 Altium Designer Release 10軟件制作 PCB 板， 在 PCB 板上焊接元器件， 單片機8051F330 控制電路如圖 7 所示。在智能充電器槽口插入待充的鋰離子電池，對應(yīng) 3.6 V 或 7.2 V 指示燈變紅，充滿后變綠 ；當插入已失效的電池時，對應(yīng)指示燈閃爍 ；當電路故障時，對應(yīng)指示燈閃爍。模塊實物如圖 8 所示。

4 結(jié) 語

本文圍繞智能充電器的工作原理，首先設(shè)計出 AC/DC電源模塊電路圖，使充電器實現(xiàn) 4.2 V/8.4 V 輸出，然后在單片機（8051F330）芯片引腳采樣得到充電電流和電壓，進行相應(yīng)控制，充電器自動識別端口并充電，充滿后自動關(guān)閉，實時監(jiān)測指示。最后通過待充的鋰離子電池進行充電測試。測試結(jié)果表明，3.6 V/7.2 V 智能充電器能夠自動識別3.6 V/7.2 V 鋰離子電池并充電，充滿后自動關(guān)閉，可實時監(jiān)測和指示充電狀態(tài)。產(chǎn)品操作簡單，可靠耐用，具有較好的推廣價值。