智能快速充電器硬件與軟件設(shè)計

1、智能快速充電器器摘要： 本文介介紹了一種智智能快速充電電器的設(shè)計過過程。該充電電器基于 MMotoroola 公司司的 MC668HC9008SR122 單片機(jī)為為控制核心，將將 SR122 特有的模模擬電路模塊塊、高精度 A/D 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換 、 II 2 C 總線接口以以及高速 PPWM 等功功能運(yùn)用到充充電控制中，詳詳細(xì)講述了其其硬件和軟件件的設(shè)計過程程， 并從元元器件篩選 、 PCBB 板繪制和和軟件設(shè)計等等方面介紹了了該 充電器器 抑制和防防電磁干擾的的措施。 關(guān)鍵詞： 單片片機(jī) A/DD 轉(zhuǎn)換 II 2 C 總線 傳感感器 電磁干干擾 1 、引言 隨著便攜式式設(shè)備不斷小小型化、輕量量化和

2、高性能能化，作為其其電源的二次次電池的使用用率日益提高高。我單位于于 19988 年在對 充電器市場場 調(diào)研后，設(shè)設(shè)計開發(fā)了 “ ZXGG 999 型智能快快速充電器”， 1999 年設(shè)計定型型，同年投入入生產(chǎn)，截止止到 20001 年底，已已經(jīng)累計生產(chǎn)產(chǎn)了 50000 多部，取取得了一定的的社會效益和和經(jīng)濟(jì)效益。今今年又簽定了了幾千部的生生產(chǎn)合同，但但是隨著產(chǎn)量量的逐年增加加，以及 二二次電池市場場的不斷變化化，該產(chǎn)品在在設(shè)計中的不不足越來越明明顯。主要有有以下幾點： a “ ZZXG 99 型智智能快速充電電器”的中央央微處理器選選擇的是 OOTP 型 單片機(jī) ，不不 具有片上上 FLAS

3、SH 存儲器器，程序固化化后不能更改改，這在產(chǎn)品品批量生產(chǎn)時時十分不便，而而且隨著市場場上 二次電電池的充電特特性不斷變化化，設(shè)計人員員要及時更改改充電控制參參數(shù)或開發(fā)新新的充電算法法，這樣對已已出廠的產(chǎn)品品只能更換新新的 MCUU ，增加了了生產(chǎn)成本； b “ ZZXG 99 型智智能快速充電電器”只能對對 鎳鎘電池池（ Niccd ） 和和鎳氫電池（ NiMH ）充電，沒沒有涉及鋰離離子電池，主主要原因是當(dāng)當(dāng)時鋰離子電電池的普及率率低，價格高高。但是鋰離離子電池具有有較高的能量量重量比和能能量體積比、無無記憶效應(yīng)、可可多次重復(fù)充充電、使用壽壽命長等優(yōu)點點，促進(jìn)了便便攜式產(chǎn)品向向更小更輕的的

4、方向發(fā)展，使使得選用單節(jié)節(jié)鋰離子電池池供電的產(chǎn)品品越來越多，同同時其價格也也越來越低。今今后二次電池池的主流將是是鋰離子電池池，作為一個個完整的產(chǎn)品品應(yīng)該將其納納入到設(shè)計中中； c 該 OOTP 型單單片機(jī) 的 A/D 采采樣值只有 8 位，在在對電池進(jìn)行行 - V 檢測測中精度不夠夠，不能對充充電過程實行行更精確的控控制。 在開發(fā)新型智能能充電器中，首首要環(huán)節(jié)就是是 中央微處處理器 MCCU 的選型型?？紤]到既既要增加產(chǎn)品品的智能化和和實用性 ，又又要降低生產(chǎn)產(chǎn)成本， 最最終決定 選選用 Mottorolaa 公司新近近推出的 MMC68HCC908SRR12 作為為 新型 智智能快速充電電

5、器的 MCCU ，這是是因為 SRR12 具有有模擬電路模模塊、高精度度 A/D （ 10 位）、 II 2 C 總線接口以以及高速 PPWM 等功功能，特別適適合開發(fā)電池池充電器和 SMBuss 智能電池池， 可極大大的減少片外外其它元器件件的開銷，達(dá)達(dá)到降低生產(chǎn)產(chǎn)成本的目的的，同時也提提高了產(chǎn)品的的一致性和可可靠性。 2 、概述 2.1 、功能能特性 以 MCC68HC9908SR112 單片機(jī)機(jī)為控制核心心； 根據(jù)二次次電池的充電電特性，軟件件智能識別 鎳鎘電池（ Nicd ） 、鎳氫氫電池（ NNiMH ） 和鋰離子電電池（ Lii+ ），選選擇相應(yīng)的控控制模塊和算算法對其快速速充電；

6、 采用最高高端電壓 VV max 、最高溫度度 T maax 、最長長充電時間 t maxx 、電壓負(fù)負(fù)增長 - V 、溫溫度變化率 T/ t 等快快速充電終止止法； 能對 11 4 節(jié) 鎳鎘電電池（ Niicd ） 、鎳氫電池池（ NiMMH ）單獨獨或同時充電電； 能對 11 2 節(jié) 鋰離子子電池（ LLi+ ）單單獨或同時充充電； 充電速率率，每 0.1Ah 的的充電時間 10mmin ； 對 鎳鎘鎘電池（ NNicd ） 、鎳氫電池池（ NiMMH ）采用用脈沖充電模模式，消除記記憶效應(yīng)； 對 鋰離離子電池（ Li+ ）采采用恒流轉(zhuǎn)恒恒壓充電模式式； 使用具有有 I 2 C 接口的的高

7、精度數(shù)字字溫度傳感器器 LM922 ，檢測電電池溫度； 設(shè)有過充充電保護(hù)、過過放電保護(hù)和和過電流保護(hù)護(hù)； 設(shè)有電池池開路、短路路、反接保護(hù)護(hù)； 快速充電電結(jié)束后自動動轉(zhuǎn)入涓流充充電模式。 2.2 、系統(tǒng)統(tǒng)框圖 該智能充電器 以 MC668HC9008SR122 單片機(jī)為為控制核心，主主要包括電源源電路、 恒恒流恒壓電路路、溫度檢測測電路、鍵盤盤響應(yīng)電路以以及狀態(tài)顯示示電路。圖 1 是其系系統(tǒng)框圖。 3 、 硬件設(shè)設(shè)計 3.1 、 電電源電路 使用開關(guān)電源作作為充電器的的供電設(shè)備。 開關(guān)電源采用脈脈沖調(diào)制方式式 PWM （ Pullse Wiidth MModulaation ）和 MOOSFE

8、T 、 BTSS 、 IGGBT 等電電子器件進(jìn)行行設(shè)計。開關(guān)關(guān)電源集成化化程度較高，具具有調(diào)壓、限限流、過熱保保護(hù)等功能。同同線性電源相相比其輸入電電壓范圍寬（通通?？蛇_(dá)交流流 85 265VV ）、體積積小、重量輕輕、效率高。其其缺點是有脈脈沖擾動干擾擾，設(shè)計電路路板時采用同同主控板隔離離和添加屏蔽蔽罩等措施，來來抑制干擾。 3.2 、恒流流恒壓電路 恒流恒壓電路是是智能充電器器的關(guān)鍵部分分。圖 2 是其電路原原理圖。恒流流恒壓電路由由 SR122 單片機(jī)片片內(nèi)模擬電路路模塊和片外外的 MOSSFET 開開關(guān)管、肖特特基二極管、濾濾波電感、濾濾波電容等器器件組成。模模擬電路模塊塊是 SR1

9、12 的特有有部件，圖 3 為它的的結(jié)構(gòu)框圖。它它由輸入多路路開關(guān)、兩組組 可程控放大器、片片內(nèi)溫度傳感感器、電流檢檢測電路等組組成。可程控控放大器總放放大倍數(shù)為 1 2256 。放放大器的輸入入可選擇為兩兩路模擬輸入入腳（ ATTD0 、 ATD1 ）、片內(nèi)溫溫度傳感器、模模擬地輸入（ V SSAAM ）。 ATD0 和 V SSSAM 間間可接一個電電流檢測電阻阻，用于測量量外部電流，它它還連接至電電流檢測電路路，可在電流流超過指定值值時產(chǎn)生中斷斷并輸出信號號。 在充電開始前的的預(yù)處理階段段，根據(jù)不同同的電池，軟軟件選擇相應(yīng)應(yīng)的充電算法法，將通道選選擇控制字寫寫入 SR112 單片機(jī)機(jī)的

10、AMCCR 寄存器器中，將兩級級 可程控 運(yùn)算放大器器的增益值寫寫入 AMGGCR 寄存存器中。 充充電開始后，軟軟件定時采集集采樣電阻 R sennse 上的的電壓值，經(jīng)經(jīng)過計算，設(shè)設(shè)置 SR112 單片機(jī)機(jī) PWM 的輸出參數(shù)數(shù)。同時，電電流檢測電路路實時檢測充充電電流，在在電流超過指指定值時產(chǎn)生生中斷并將 SR12 單片機(jī)的 PTC0/PWM0/CD 端口口置為低電平平， 及時關(guān)關(guān)斷充電電流流，實現(xiàn)恒流流恒壓的充電電控制。 500)thiis.styyle.wiidth=5500; onmouusewheeel=rreturnn bbimmg(thiis) bordder=0設(shè)計中為了減

11、小小電流的脈動動，降低輸出出紋波，在體體積和成本允允許的情況下下設(shè)計選用飽飽和電流比較較大的電感，因因為當(dāng)磁芯接接近飽和時損損耗增大，會會降低轉(zhuǎn)換效效率。電感的的飽和電流至至少應(yīng)大于充充電回路中的的峰值電流。同同時，電感的的直流電阻會會消耗一定的的功率，在體體積和成本許許可的情況下下設(shè)計選用直直流電阻盡量量小的電感。另另外對于低噪噪聲應(yīng)用，為為降低電源的的 EMI ，設(shè)計選用用具有閉合磁磁芯的電感。 設(shè)計中選擇濾波波電容的主要要依據(jù)是系統(tǒng)統(tǒng)對電源紋波波的要求。濾濾波電容的等等效串聯(lián)電阻阻（ ESRR ）是造成成輸出紋波的的主要因素，而而且也會影響響到轉(zhuǎn)換效率率，設(shè)計選用用低 ESRR 的電容。

12、陶陶瓷電容和鉭鉭電解電容具具有較低的 ESR ，也也可選用低 ESR 的的鋁電解電容容，但應(yīng)盡量量避免標(biāo)準(zhǔn)鋁鋁電解電容。容容量一般在 10 F 1100 F ，對于于較重的負(fù)載載設(shè)計選取大大一點的電容容。較大容量量的濾波電容容有利于改善善輸出紋波和和瞬態(tài)響應(yīng)。 在每次充電周期期結(jié)束后，充充電環(huán)路中可可以觀察到振振蕩現(xiàn)象。這這是由于電感感中的能量全全部釋放給負(fù)負(fù)載后，在電電感自身的寄寄生電容和引引腳分布電容容中還儲存有有一定的能量量，在這些能能量的作用下下，電容和電電感構(gòu)成的諧諧振回路將發(fā)發(fā)生振蕩，部部分能量將以以電磁波的形形式向外輻射射出去，造成成對 SR112 單片 機(jī)和其它電電路的干擾，在

13、在對噪聲敏感感的設(shè)計應(yīng)用用中必須對其其加以抑制。在在充電回路中中接入肖特基基二極管 DD14 來抑抑制這種 EEMI 。具具體做法是，當(dāng)當(dāng)電感中的能能量釋放完畢畢后，通過 D14 使使諧振電路處處于臨界阻尼尼或過阻尼狀狀態(tài)，將剩余余能量消耗在在 D14 上，減小電電磁輻射，確確保 SR112 單片 機(jī)正常工作作。同時，肖肖特基二極管管 D14 的另一重要要作用是吸收收電感的反向向電動勢，保保護(hù) MOSSFET 開開關(guān)管 Q66 。 3.3 、溫度度檢測電路 在快速充電過程程中，電池的的溫度會隨著著充電容量的的增加而上升升，尤其在接接近充電終止止時，溫度變變化率 T/ t 最大大，該特性是是判斷

14、電池是是否充滿的主主要條件之一一，因此，及及時、快速和和準(zhǔn)確地檢測測電池的溫度度變化是本電電路的關(guān)鍵。 本設(shè)計選用集成成電路溫度傳傳感器 LMM92 檢測測電池溫度，圖圖 4 為其其電路原理圖圖。同時，利利用 SR112 單片機(jī)機(jī)的內(nèi)部溫度度 傳感器概概略監(jiān)測環(huán)境境溫度，其測測溫范圍 -20 70 。 圖 4 溫度檢檢測電路原理理圖 以往的充電器均均多使用熱敏敏電阻作為溫溫度傳感器，在在本設(shè)計中為為何舍棄，這這是因為熱敏敏電阻的電壓壓輸出與溫度度并非成線性性比，在高溫溫時的電壓變變化率比較小小，不易分辨辨，而且需依依靠查表或加加設(shè)電路才能能得知輸出電電壓與溫度的的關(guān)系，其產(chǎn)產(chǎn)品一致性差差，在出

15、廠前前需要校正，增增加成本。 集成電路溫度傳傳感器的參數(shù)數(shù)輸出是與溫溫度成線性比比，兩者之間間的關(guān)系可以以用公式來表表達(dá)，故即使使在較高的溫溫度范圍內(nèi)，集集成電路溫度度傳感器也具具有很高的準(zhǔn)準(zhǔn)確度，設(shè)計計中需要較少少的芯片支持持，有助于節(jié)節(jié)省印刷電路路板的板面空空間，簡化部部分系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計，加快產(chǎn)產(chǎn)品推向市場場的時間。 LM92 是美美國國家半導(dǎo)導(dǎo)體公司出品品的單片高精精度數(shù)字溫度度傳感器。其其內(nèi)部的 112 位溫度度模數(shù)轉(zhuǎn)換器器，可將被感感應(yīng)溫度的模模擬量轉(zhuǎn)換為為 0.06625 量化間隔隔的數(shù)字量，常常溫下精度可可達(dá) 0.33 ，并可與用用戶設(shè)置的溫溫度點進(jìn)行比比較。其片內(nèi)內(nèi)寄存器可以以設(shè)

16、置高 / 低的溫度度窗口門限及及臨界溫度告告警門限，當(dāng)當(dāng)溫度偏離設(shè)設(shè)置門限時，漏漏級開路中斷斷 INT 及臨界溫度度告警 T_CRIT_A 輸出有有效信號。通通過 I 22 C 總線線接口可對該該傳感器的內(nèi)內(nèi)部寄存器進(jìn)進(jìn)行讀 / 寫操作，最最多可允許 4 片 LLM92 掛掛接在同一條條串行總線上上。 MC68HC9908SR112 單片機(jī)機(jī)具有 I 2 C 接接口控制模塊塊，使用通道道 0 （ SDA0 和 SCLL0 ），可可十分方便地地同 溫度傳傳感器 LMM92 連接接。圖 4 為溫度檢測測電路原理圖圖。 LM92 采用用 I 2 C 串行總總線和數(shù)據(jù)傳傳輸協(xié)議實現(xiàn)現(xiàn)同 MC668HC

17、9008SR122 單片機(jī) 的數(shù)據(jù)傳輸輸。在數(shù)據(jù)傳傳輸?shù)倪^程中中 LM922 為從器件件，通過數(shù)據(jù)據(jù)輸入、輸出出線 SDAA 以及時鐘鐘信號線 SSCL 與總總線相連。其其傳輸時序如如圖 5 所所示。當(dāng) SSCL 保持持高電平時， SDA 從從高電平到低低電平的跳變變作為數(shù)據(jù)傳傳輸?shù)拈_始信信號，隨后傳傳送 LM992 的地址址信息和讀 / 寫控制制位。地址信信息的格式為為： 根據(jù) A 1 A 00 的不同編編碼，最多可可允許 4 片 LM992 掛接在在同一條串行行總線上，分分別對應(yīng)四節(jié)節(jié)充電電池。讀讀 / 寫控控制位為 11 表示對 LM92 進(jìn)行讀操作作，為 0 表示進(jìn)行寫寫操作。每個個字

18、節(jié)傳送結(jié)結(jié)束，要收到到接收數(shù)據(jù)一一方的應(yīng)答信信號（ ACCK ）后方方可開始下一一步操作。最最后，在 SSCL 保持持高電平的情情況下， SSDA 從低低電平到高電電平的跳變作作為數(shù)據(jù)傳輸輸?shù)慕Y(jié)束信號號。 具體操作過過程是： MMC68HCC908SRR12 單片片機(jī) 首先傳傳送開始信號號，接著寫入入芯片地址信信息和讀 / 寫控制位位，之后寫入入要訪問的片片內(nèi)寄存器地地址，當(dāng)收到到 LM922 的應(yīng)答信信號（ ACCK ）后，再再次傳送開始始信號，并寫寫入芯片地址址信息和讀 / 寫控制制位，當(dāng)收到到 LM922 的應(yīng)答信信號（ ACCK ）后，可可讀 / 寫寫被訪問寄存存器的數(shù)據(jù)，最最后傳送結(jié)

19、束束信號。 3.4 、鍵盤盤響應(yīng)電路 設(shè)計鍵盤響應(yīng)電電路時，使用用 MC688HC9088SR12 單片機(jī) PPORT DD （ PTTD6 和 PTD7 ）端口的鍵鍵盤中斷功能能（ KBII ）。根據(jù)據(jù)實際情況，在在 MC688HC9088SR12 單片機(jī)的 鍵盤中斷使使能寄存器 KBIERR 中寫入相相應(yīng)的值，寫寫入“ 1 ”表示中斷斷允許，寫入入“ 0 ”表表示不能中斷斷。鍵盤中斷斷允許的端口口， MC668HC9008SR122 單片機(jī)將將對其內(nèi)部上上拉 30kk 的電阻阻，這樣鍵盤盤響應(yīng)電路的的設(shè)計十分簡簡潔，要注意意的是應(yīng)用軟軟件中要增加加鍵盤消抖動動子程序，防防止誤操作。 3.5

20、 、狀態(tài)態(tài)顯示電路 同樣，狀態(tài)態(tài)顯示電路的的設(shè)計使用了了 MC688HC9088SR12 單片機(jī) PPORT AA （ PTTA0 PTA5 ）端口的 LED 直直接驅(qū)動功能能。編程時首首先設(shè)置 PPORT AA 的工作狀狀態(tài)，在 LLED 控制制 寄存器 LEDA 中寫入相應(yīng)應(yīng)的值，寫入入“ 1 ”表表示可直接驅(qū)驅(qū)動 LEDD ，寫入“ 0 ”表示示作為標(biāo)準(zhǔn) I/O 端端口。在充電電的每個階段段均有狀態(tài)顯顯示，如：電電池處于正在在充電狀態(tài)、電電池因溫度過過高進(jìn)入溫控控狀態(tài)、電池池快充結(jié)束轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入涓流充電電狀態(tài)等。 4 、軟件設(shè)計計 本智能快速速充電器的軟軟件設(shè)計思想想是：各個功功能組件實現(xiàn)現(xiàn)模

21、塊化編程程，軟件流程程采用中斷工工作方式。目目的是使應(yīng)用用軟件流程清清晰，可讀性性強(qiáng)，易于功功能調(diào)試以及及產(chǎn)品的維護(hù)護(hù)和升級。 本軟件主要由初初始化、預(yù)處處理、快速充充電和 涓流流充電四個部部分組成。 其流程如圖圖 6 所示示。 4.1 、初始始化 在程序的初始階階段應(yīng)首先對對 MC688HC9088SR12 單片機(jī)進(jìn)行行初始化操作作，包括設(shè)置置 I/O 端口的輸入入輸出狀態(tài)，設(shè)設(shè)置 PLLL 鎖相環(huán)電電路參數(shù)，設(shè)設(shè)置 TIMM 定時器參參數(shù)等等。 4.2 、預(yù)處處理 預(yù)處理階階段是進(jìn)入快快速充電前的的準(zhǔn)備工作。 程序初始始化后，首先先利用 MCC68HC9908SR112 單片機(jī)機(jī)的內(nèi)部溫度

22、度 傳感器檢檢測環(huán)境溫度度。環(huán)境溫度度過低或過高高時，均不能能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)進(jìn)行充電，否否則將損傷電電池。例如： 鋰離子電電池（ Lii+ ）的適適宜充電溫度度范圍在 22.5 50 之間。 然后，設(shè)設(shè)置 A/DD 轉(zhuǎn)換參數(shù)數(shù)和通道，檢檢測電池的端端電壓。將檢檢測數(shù)據(jù)同理理論經(jīng)驗值比比較，判斷電電池的類別以以及是否連接接正確。對端端電壓低的電電池，采用短短時間的脈動動電流充電，這這樣有利于激激活電池內(nèi)的的化學(xué)反應(yīng)物物質(zhì)，部分恢恢復(fù)受損的電電池單元。對對端電壓在標(biāo)標(biāo)稱范圍內(nèi)的的電池選擇相相應(yīng)的充電控控制模塊和算算法，對端電電壓不在標(biāo)稱稱范圍內(nèi)的電電池，軟件自自動將其剔除除。 4.3 、快速速充電 按

23、預(yù)定的充充電控制模塊塊和算法設(shè)置置 MC688HC9088SR12 單片機(jī) PPWM 的控控制寄存器 PWMCRR 、時鐘寄寄存器 PWWMCCR 以及數(shù)據(jù)寄寄存器 PWWMDR0 PWMMDR2 ，打打開中斷使能能位，開始快快速充電。 快速充電時時， MC668HC9008SR122 單片機(jī) 必須不斷檢檢測以下幾項項關(guān)鍵技術(shù)指指標(biāo)：電路是是否出現(xiàn)斷路路、電池是否否出現(xiàn)不均衡衡現(xiàn)象、電池池是否達(dá)到規(guī)規(guī)定的安全電電壓、電池是是否溫度過高高、電池是否否滿足 - V 或 T/ t 條件件。 其中電池的的斷路主要通通過檢測采樣樣電阻 R sensee 上的電流流大小來判斷斷。而且為了了避免誤判斷斷，應(yīng)

24、該反復(fù)復(fù)檢測。當(dāng)出出現(xiàn)斷路時，應(yīng)應(yīng)重新返回預(yù)預(yù)處理階段。斷斷路的判斷時時機(jī)應(yīng)該在電電池端電壓已已經(jīng)達(dá)到預(yù)定定值的情況下下進(jìn)行，否則則在電池端電電壓沒有達(dá)到到預(yù)定值的情情況下，充電電電流比較小小，可能出現(xiàn)現(xiàn)誤判斷。 均衡充電電是本智能充充電器的另一一個重要特點點。在充電的的過程中，由由于電池的質(zhì)質(zhì)量不相同，容容量小、質(zhì)量量差的電池端端電壓在充入入相同電量后后會出現(xiàn)電壓壓增長比另一一個電池多的的情況，如果果不采取措施施，它們的電電壓差將會增增大，以至其其中一個電池池很快達(dá)到規(guī)規(guī)定的安全電電壓，充電過過程也將被迫迫停止。此時時應(yīng)該停充電電壓高的電池池，即均衡充充電。這樣有有利于恢復(fù)電電池內(nèi)受損的的單元，使充充電過程能順順利地進(jìn)行下下去。 電池的端端電壓