基于嵌入式微處理器的電能收集充電器設計

 隨著計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，移動手機、數(shù)碼產(chǎn)品、手提電腦、便攜儀器等設備正成為人們生活中不可或缺的工具與這些產(chǎn)品相對應的充電器的設計也越來越受到關(guān)注，且充電器的好壞將會直接影響到產(chǎn)品的性能和使用壽命?，F(xiàn)代生活中充電設備數(shù)量迅速增多，而各個廠商所出的充電接口又各不相同，與此同時，市場上充電器的種類特別繁多，且充電器的較典型的實現(xiàn)方法是用一個專門功能的集成電路IC去控制充電電流/電壓的范圍，這種普通的恒流或恒壓充電器都有充電效率低、充電時間長、降低電池壽命等缺陷。本文針對鋰離子可充電池的充放電特性及實際使用中的需求，利用新型的嵌入式芯片LM3S1138為主控制器，在鋰離子電池充電的過程中，進行智能控制，嚴格控制充電電流、電壓、溫度等物理參數(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、節(jié)能化的特點。

1 電能收集充電器硬件設計

電能收集充電器的硬件設計，主要包括直流電源、電源變換器、EasyARM1138、PWM發(fā)生器、采樣電路、可充電池等部分的設計與整合，形成一個循環(huán)系統(tǒng)。其電路模塊如圖1所示。

1.1 EasyARM1138嵌入式微處理器

EasyARM1138嵌入式微處理器采用了Luminary Micro公司Stellaris系列基于Cortex-M3內(nèi)核的LM3S1138芯片，該芯片包含一個低壓降的穩(wěn)壓器，集成的掉電復位和上電復位功能，仿真比較器，10 bit的ADC，SSI，GPIO，看門狗和通用定時器，UART，I2C及運動控制的PWM等各種豐富的外設功能，可直接通向GPIO管腳，不需要特性的復用。非常適合用作智能型充電器的控制單元。

EasyARM1138的任務是從采樣電路處實時采集電池的充電狀態(tài)，通過計算決定下一階段的充電電流，并產(chǎn)生合適的PWM信號來控制充電電流;通過UART、LCD來實時地傳輸和顯示采樣數(shù)據(jù)，采集的電池參數(shù)不正常時，可以產(chǎn)生報警信號。

1.2 電源變換和控制電路

1.2.1 BUCK電源變換電路

在電能收集過程中，充電器通過控制電壓或者電流來實現(xiàn)不同的充電策略。設計采用容易控制的、效率高的BUCK變換器。BUCK變換器是用EasyARM1138產(chǎn)生的PWM信號控制的，通過控制PWM的占空比，來控制開關(guān)管Q2輸出電壓或者電流。BUCK變換電路如圖2所示。

Vi、Vo分別為輸入輸出電壓，D1是續(xù)流二極管。BUCK變換器的工作原理：當PWM輸出高電平時，開關(guān)管導通，電流通過晶體管和電感到電池。在這一階段，電感吸收能量，電容被充電。當PWM輸出低電平時，開關(guān)管關(guān)斷，電流經(jīng)二極管D1續(xù)流，電感兩端的電壓反向，電流由二極管提供。電感和電容作為濾波器輸出電壓和電流。

1.2.2 PWM發(fā)生器

PWM發(fā)生器集成在EasyARM1138系統(tǒng)中，利用定時器(Timer)模塊的16 bit PWM功能來產(chǎn)生PWM信號。在PWM模式中，TimerA或TimerB配置為16 bit元元元的遞減計數(shù)器，通過設置適當?shù)难b載值(決定PWM周期)和匹配值(決定PWM占空比)來自動產(chǎn)生PWM方波信號，并從相應的管腳輸出。

本方法的基本思想是利用EasyARM1138所具有的PWM()管口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整PWM控制寄存器來調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。在調(diào)整充電電流前，處理器先快速讀取充電電流的大小，然后把設定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較。若實際電流偏小，則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比;若實際電流偏大，則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。在軟件PWM的調(diào)整過程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。

1.3 采樣電路

采樣包括對充電電流和充電電池端電壓的采樣。采樣的電壓和電流經(jīng)EasyARM1138中的1個集成的10 bit ADC模塊送到LM3S1138控制芯片中，LM3S1138對數(shù)據(jù)進行處理與保存。ADC模塊支持8個輸入通道，輸出最大誤差為±3 mV，±3.3 V電源供電，并含有4個可編程的序列發(fā)生器，這些序列發(fā)生器可在無需控制器干涉的情況下對多個模擬輸入源進行采樣。電流與電壓采樣原理圖如圖3所示。

(1)電流和電壓采樣

為了降低成本，設計中對電流采樣不外加傳感器，通過1個傳感電阻R6把流過電池的電流轉(zhuǎn)換成電壓后，再進行ADC轉(zhuǎn)換取樣。流過電池的電流可能會很大(超過1 A)，如果傳感電阻取得較大，那么就會產(chǎn)生較大的電壓降，根據(jù)功率計算公式：P=I2R，消耗的功率太大，就會產(chǎn)生較多的熱量，顯然這樣做是不可取的。本設計中使R6=0.1 Ω，用LM358運算放大器把電壓放大到3 V左右，再傳送到ADC轉(zhuǎn)換器的ADC1管腳。電壓采樣直接通過改變滑動電阻R4的大小，使輸出電壓在0～3 V額定范圍，再傳送到ADC轉(zhuǎn)換器的ADC0管腳進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

(2)保護電路和基準穩(wěn)壓源

如果進入ADC管腳的電壓過大，有可能造成芯片損壞，正確的做法是必須要有限壓保護措施，典型的用法是利用鉗位保護二極管。為了抑制串入ADC輸入信號上的干擾，一般還要進行RC低通濾波，如圖4所示。

ADC轉(zhuǎn)換器需要一個基準電壓為參照，以完成模擬電壓信號到數(shù)字信號的量化。基準電壓直接影響電壓和電流采樣的結(jié)果。EasyARM1138內(nèi)部集成可編程選擇的3.3 V的基準穩(wěn)壓源，可確保ADC基準電壓的準確性，不需要采用外部的穩(wěn)壓源，可以節(jié)省設計的成本。

2 軟件程序設計

電能收集充電器的充電電流、電壓都是受限制的，“電池特性”的所有資料都根據(jù)標度因子計算得到。這些數(shù)據(jù)在包含文件里定義，在編譯時計算，在程序運行時以常數(shù)方式處理。所有從ADC輸出的資料都可以直接與這些常數(shù)進行比較。也就是說，在程序運行過程中，不需要進行實時計算，從而節(jié)省了計算時間和程序空間。鋰離子可充電池采用恒流-恒壓充電方式，其充電主控制程序流程如圖5所示。

本電能收集充電器采用了微控制器LM3S1138作為CPU，具有智慧化、節(jié)能化等充電性能，電能收集率很理想。故有良好的推廣和使用價值。