一种高精度稳压直流充电电路的设计

高 伟，施吕蓉

（1.芜湖职业技术学院电气工程学院；2.芜湖职业技术学院基础部）

0 引言

在科技日新月异的今天，便携式电子设备，如手机、PDA和蓝牙耳机的广泛运用，对电池的要求也越来越高。锂电池以其体积小、重量轻、容量大、无记忆效应和寿命长等优点在各种便携式电子设备中得到广泛应用。在实际生活中，很多人在使用带有锂电池的设备时，觉得锂电池的寿命很短，用不了多久就会出现无法充电的现象。造成这种无法充电的现象的原因都是充电不当[1]。由于锂电池对充电器要求非常高，若使用普通充电器对其进行充电，就可能会对其造成损伤甚至损坏。因此，设计一个安全、稳定、快速且具有智能调节的充电电路具有重要意义。

1 方案设计

1.1 LM2596T芯片

直流充电器看似简单，但要达到稳定的电压和大的电流，并不容易，要达到充电效果只有使用升压模块或者降压模块才能实现，其中最常见的就是LM2596T降压芯片。

LM2596系列是德州仪器（TI）生产的最大输出电流3 A的降压开关型集成稳压芯片。它内含固定频率振荡器（150 kHz）和基准稳压器（1.23 V），并具有功耗低、效率高、过热保护和限流保护功能。用该芯片只需极少的外围器件便可构建高效稳压电路[2]。且该芯片价格便宜，使用普遍，电路简单，容易实现。

1.2 总体方案

本文设计了一个5 V直流充电电路，并通过USB给负载充电。如图1所示：220 V交流电经稳压电源处理后输出5 V直流电压，并经测量/显示系统，实时显示充电电压、充电电流、瞬时功率，最后将5 V直流电压加载到负载上。

图1 5 V直流充电器

2 电路程序与设计

2.1 稳压电源电路

如图2所示：首先，220 V交流电经过变压器的变压，输出15 V的电压。然后，经过两路以LM2596T芯片为核心元件并以并联方式连接的对称电路，输出充电电压可以精准达到U0=5 V，并保持稳定。且充电电流I0从0变到2 A以上，此时，负载调整率仅为0.4%。

图2 稳压电源电路

2.2 测量/显示电路

利用STM32F103FC8T6片内的ADC进行充电电压和充电电流的测量，并显示在LCD12864上；同时与设定的电压做比较，如果超过用户通过键盘设定的误差范围，即打开蜂鸣器报警，并同时让继电器断开充电电路；断路后，STM32F103FC8T6会储存断路时的电压电流数据，并在下次开机时，显示在LCD12864上，具体流程，如图3所示。

图3 程序流程图

2.2.1 电流采集电路

图4 电流采集电路

为了放大采集电阻两端的电压，采用了低噪声同向比例运算电路OP07。使用7660S芯片将+VCC转换成-VCC，从而对运算电路OP07进行正负双电源供电。电压放大倍数，电流。

2.2.2 电压采集

由于单片机自带ADC电压基准和供电电源VCC相连，当开关电源输出电压变化时，ADC的电压基准同样会发生变化，造成ADC无法测量。为计算其他通道的输入电压，需要计算此时的工作电压VCC，因而需要外部提供一个稳定的参考电压源。电压测量电路如图5所示。

图5 外部3.3V基准电路

由于稳压芯片AMS1117可以在4.1～6 V供电的情况下稳定的输出3.3 V参考电压，所以外部参考电压源就选择了3.3 V稳压芯片AMS1117。电源电压VCC的计算公式如下：

2.3 LCD12864液晶显示

通过单片机将采集来的各项数据转换为字符类型数据，并液晶显示屏LCD12864实时显示充电电压、充电电流的值。

3 系统测试

3.1 测试数据

在输入220 V交流电，空载情况下，调整电位器，使输出电压稳定，U0=5 V。

当输入电压从175 V变化到255 V，与此同时负载由空载变化到满载的条件下，电压调整率如表1所示。

表1 电压调整率

当输入电压保持在220 V，充电电流从0变化到2A时，负载调整率如表2所示。

3.2 断电测试

通过键盘输入来设定输出电压值，若其值超出误差范围5 V±（0.1～0.9）时，即打开蜂鸣器报警，并同时让继电器断开负载，而STM32F103FC8T6会储存断路时的电压电流数据，并在下次开机时，首先显示在LCD12864上。

表2 负载变化表

3.3 结果分析

通过测试，得出以下结果：

(1)当输入电压从175 V变化到255 V，与此同时负载由空载变化到满载的条件下，电压调整率低于0.2%；

(2)当充电电流从0变化到2 A时，最高负载调整率仅为0.4%；

(3)采用STM32F103FC8T6单片机控制LCD12864，可实时显示充电电压和充电电流的值，并能同步了解充电电路的工作情况；

(4)当输出电压超出误差范围时，电路能自动断开负载，打开蜂鸣器报警，而STM32F103FC8T6会储存断路时的电压和电流数据，并在下次开机时显示在LCD12864上。

4 结语

本文设计了一种直流充电电路，该电路以可调的LM2596T芯片为核心元件，电压输出稳定，具有非常低的电压调整率和负载调整率，并且能直接显示充电电路的实时工作情况，在输出电压异常的情况下可自动断开负载并报警，起到了保护锂电池、延长其使用寿命的作用。在实际应用中，该电路结构简单，精度高，稳定性强，表现良好，具有一定的实用价值。