基于PIC16F883的锂电池智能充电器的设计与实现

2014-05-11 11:17何薇薇

通信电源技术 2014年1期

何薇薇，徐园

（中山火炬职业技术学院，广东中山528436）

0 引言

随着全球工业化的进程，人类对能源的需求在不断增长，能源危机日益加剧。太阳能是资源最丰富的可再生能源，它分布广泛、可再生、不污染环境，是国际公认的理想替代能源。随着太阳能技术的发展，近年来超薄、超轻的光伏电池在便携式电子设备中的应用也得到了很大发展。

内置锂离子电池［1］的太阳能充电器摆脱了传统充电方式的束缚，节能与环保，具有良好的发展前景。本文的研究目标是设计一个基于单片机［2］智能控制的，能够为手机、MP3、PDA等电子设备提供直充电源的太阳能充电器。

1 系统的总体结构

整个充电器主要包括太阳能电池、锂离子电池、充电电路、放电电路、控制电路5个组成部分。系统整体框图如图1所示。

该充电电路是一个Buck变换器及其驱动，由它把太阳能电池发出的电能进行变换后对锂离子电池充电，Buck的驱动脉冲由单片机输出，并由单片机控制其工作。

放电电路是一个有关闭模式的集成Boost变换器，它将锂离子电池的端电压进行升压，使充电器输出的电压适合于给手机、MP3等电子产品充电。

控制电路主要包括单片机及其外围电路、驱动电路、采样电路和供电电源。控制电路实现的功能是：单片机根据采样的充电电流信号，调节Buck变换器占空比以实现充电电流的控制，当没有充电电流输出时关闭Buck以减少电路损耗；根据采样的锂离子电池电压信号进行充电过程的控制，实现脉冲方式的充电，并进行过充保护，以及使能或关闭放电电路防止过放；根据采样的锂离子电池温度信号实现超温保护，当温度超出正常工作范围时，暂停充电。

图1 锂电池充电系统框图

2 系统硬件电路设计

本文采用的锂离子电池充电方法［3］包括预充电、快速充电、脉冲充电三个阶段。当锂离子电池端电压低于3 V时，先对其进行预充电处理。当锂离子电池端电压≥3 V时，可直接进入快速充电阶段。当锂离子电池端电压达到4.2 V时，进入脉冲充电阶段，在此阶段间歇关闭充电电路使电池电压保持在4.2 V左右。锂离子电池的放电电压区间设为3.3～4.2 V，当电池端电压低至3.3 V时关闭放电电路，防止过放电。

2.1 充电电路设计［4］

充电主回路如图2所示，包括太阳能电池、屏蔽二极管、Buck变换器和锂离子电池。

图2 充电电路原理图

Buck变换器设计的关键是确保“磁路”不会饱和，因此电感应该在最不利工作条件下设计，即电感电流最大。对于Buck变换器，电感平均电流总是等于负载电流Io，因此它的最恶劣情况还要考虑输入电压最高的情况，此时电感电流的峰值最大。对本设计来说，最不利条件发生在变换器输入功率最大，锂离子电池端电压最小，此时输出负载电流最大。可得电感量L：

其中：

式中：Iomax为负载电流最大值；Dm为太阳能电池输出峰值功率，锂离子电池端电压最小时的占空比；Uomin为Buck最小输出电压值；Upvm为太阳能电池输出峰值功率时的电压值；UDs为屏蔽二极管的压降；Ipvm为太阳能电池输出峰值功率时的电流值；r为电感电流纹波比；f为Buck的工作频率；η为变换器效率，并假定为90%。

将下列参数代入到式（1）～（3）：Uomin＝ 3 V，Upvm＝11 V，Ipvm＝0.15 A，UDs＝0.35 V，r＝0.4，f＝31.25 kHz，可计算出L＝359.7μH，实验中取值为390μH。电感值选定后，r又会相应变化，根据式（1）重新计算出r＝0.369。

2.2 放电电路设计

放电电路的输入电压为锂离子电池的端电压，其工作范围从3.3 V～4.2 V，为保护锂离子电池，当电压低至3.3 V时，关闭放电回路。放电电路的输出为手机、PDA等设备提供5 V～5.5 V的直充电源，因此放电电路需要用一个Boost变换器，选择LINEAR公司的集成Boost变换器LTC3402，如图3所示。

放电电路稳压输出为5.3 V／500 mA。电路有两种关闭模式。第一种模式由手动控制开关S1。当充电器需要输出电源为手机等设备充电时，闭合S1；当充电完毕后，断开S1，防止放电电路继续消耗功率。第二种模式由单片机自动控制。单片机对锂离子电池的端电压进行采样，经过内部比较器比较后输出高电平或低电平。当电压在3.3～ 4.2 V 之间时，PIC16F883单片机的6脚输出高电平，Boost电路正常工作。当电压小于3.3 V时，6脚输出低电平，关闭Boost电路，防止电池继续放电。同时给出电池缺电指示灯，等待手动切断S1开关。

图3 放电电路原理图

2.3 控制电路设计

PIC16F883是Microchip公司于2006年推出的PIC16F88X系列单片机中的一个型号。PIC16F883单片机不仅集成了本电路所需要的PWM脉冲调制模块、A／D转换模块、模拟比较器，而且芯片设计采用纳瓦技术，具有非常良好的低功耗特性，待机电流低至50 nA。另外它还有多个可将单片机从休眠模式下唤醒的中断源，进一步减少了功耗，非常适合电池供电系统的使用。其引脚功能如图4所示。

图4 PIC16F883引脚功能图

在数字控制电路中，必须将模拟信号转换为单片机可以处理的数字信号，通常由A／D转换器（简称ADC）来实现。PIC16F883单片机内部集成了11通道10位分辨率的A／D转换器，因此不需要外接A／D转换芯片。

（1）电流采样电路设计

采样电流的主要作用是为了实现锂离子电池充电电流最大，因此采样电阻R17串联在电池充电回路中，采样电阻上的压降与充电电流的大小成正比。采样电路如图5所示。

（2）电压采样电路设计

电压采样电路对锂离子电池的电压进行采样，采样电压是充放电控制的依据。锂离子电池的最高电压为4.2 V，对其进行两次分压，第一次分压后采样信号的最大值为2.8 V，输入单片机的AN2模拟通道进行A／D转换，根据转换后的值判断锂离子电池应该进入预充电、快速充电还是脉冲充电。第二次分压后采样信号的最大值为2.16 V，该信号作为单片机内部比较器的反相输入信号，与内部参考电压比较，再通过软件设置将比较结果反转后，由单片机6脚输出给Boost变换器的引脚，控制Boost电路工作或关闭。电压采样电路如图6所示。

图5 电流采样电路图

图6 电压采样电路图

（3）温度采样电路设计

为了防止锂离子电池超温工作，必须采样电池温度。温度采样通过一个负温度系数（NTC）热敏电阻实现。电阻贴在电池表面中心位置，因此得到的温度是电池表面温度。采用的热敏电阻在额定温度25℃时的电阻值为47 kΩ，热敏指数B值为3 950 K（25／50），精度±3%。温度采样电路如图7所示，热敏电阻与电阻R29并联后再与R28串联，当NTC阻值变化时，送给A／D转换通道AN11的采样电压值也发生变化。若采样得到的电压值超过0.94～2.2 V的范围，单片机会关闭充电电路，暂停充电，直到电池温度恢复正常为止。

3 系统软件设计

单片机是整个系统控制的核心，而所有的控制命令都要由软件来实现。系统软件要实现以下控制功能：

（1）充电过程的转换与控制。充电过程包括预充电、快速充电、脉冲充电三个阶段，必须使充电电路在这三个阶段之间正确转换，并在每个阶段执行不同的控制策略，使锂离子电池合理充电。

图7 温度采样电路原理图

（2）正确判断锂离子电池是否充满，充满后充电器进入休眠状态。若充电器电源按钮一直接通，则当电池电压下降到重复充电值后自动重新开始充电过程。

（3）在整个充电过程中一直监测锂离子电池的温度，并进行过温保护。

（4）进行放电控制。

主程序流程设计如图8所示，在主程序中主要完成系统初始化、开中断、调用充电子程序、充电完成处理等功能。初始化子程序中要进行变量、I／O端口、C1比较器、PWM、定时器、中断的初始化。初始化完成后，启动C1比较器中断，并根据锂离子电池的电压转入预充、快速或脉冲充电子程序。UBATT＿MAX是锂离子电池的终止充电电压，设为4.2 V。UBATT＿MIN是快速充电的起始电压，设为3 V。当充电完成后，置充电指示灯为绿灯，然后将其余端口设为低电平，修改比较器基准电压为4 V，关闭全局中断使能位，单片机进入休眠状态。