2705.智能快速充电器.doc
《2705.智能快速充电器.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2705.智能快速充电器.doc(18页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、智能快速充电器摘要:本文介绍了一种智能快速充电器的设计过程。该充电器基于Motorola公司的MC68HC908SR12单片机为控制核心,将SR12特有的模拟电路模块、高精度A/D转换、I2C总线接口以及高速PWM等功能运用到充电控制中,详细讲述了其硬件和软件的设计过程,并从元器件筛选、PCB板绘制和软件设计等方面介绍了该充电器抑制和防电磁干扰的措施。关键词:单片机 A/D转换 I2C总线 传感器 电磁干扰1、引言随着便携式设备不断小型化、轻量化和高性能化,作为其电源的二次电池的使用率日益提高。我单位于1998年在对充电器市场调研后,设计开发了“ZXG99型智能快速充电器”,1999年设计定型
2、,同年投入生产,截止到2001年底,已经累计生产了5000多部,取得了一定的社会效益和经济效益。今年又签定了几千部的生产合同,但是随着产量的逐年增加,以及二次电池市场的不断变化,该产品在设计中的不足越来越明显。主要有以下几点:a“ZXG99型智能快速充电器”的中央微处理器选择的是OTP型单片机,不具有片上FLASH存储器,程序固化后不能更改,这在产品批量生产时十分不便,而且随着市场上二次电池的充电特性不断变化,设计人员要及时更改充电控制参数或开发新的充电算法,这样对已出厂的产品只能更换新的MCU,增加了生产成本;b“ZXG99型智能快速充电器”只能对镍镉电池(Nicd)和镍氢电池(NiMH)充
3、电,没有涉及锂离子电池,主要原因是当时锂离子电池的普及率低,价格高。但是锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比、无记忆效应、可多次重复充电、使用寿命长等优点,促进了便携式产品向更小更轻的方向发展,使得选用单节锂离子电池供电的产品越来越多,同时其价格也越来越低。今后二次电池的主流将是锂离子电池,作为一个完整的产品应该将其纳入到设计中;c该OTP型单片机的A/D采样值只有8位,在对电池进行-V检测中精度不够,不能对充电过程实行更精确的控制。在开发新型智能充电器中,首要环节就是中央微处理器MCU的选型。考虑到既要增加产品的智能化和实用性,又要降低生产成本,最终决定选用Motorola公司新近推出
4、的MC68HC908SR12作为新型智能快速充电器的MCU,这是因为SR12具有模拟电路模块、高精度A/D(10位)、I2C总线接口以及高速PWM等功能,特别适合开发电池充电器和SMBus智能电池,可极大的减少片外其它元器件的开销,达到降低生产成本的目的,同时也提高了产品的一致性和可靠性。2、概述2.1、功能特性a. 以MC68HC908SR12单片机为控制核心;b. 根据二次电池的充电特性,软件智能识别镍镉电池(Nicd)、镍氢电池(NiMH)和锂离子电池(Li+),选择相应的控制模块和算法对其快速充电;c. 采用最高端电压Vmax、最高温度Tmax、最长充电时间tmax、电压负增长-V、温
5、度变化率T/t等快速充电终止法;d. 能对14节镍镉电池(Nicd)、镍氢电池(NiMH)单独或同时充电;e. 能对12节锂离子电池(Li+)单独或同时充电;f. 充电速率,每0.1Ah的充电时间 10min;g. 对镍镉电池(Nicd)、镍氢电池(NiMH)采用脉冲充电模式,消除记忆效应;h. 对锂离子电池(Li+)采用恒流转恒压充电模式;i. 使用具有I2C接口的高精度数字温度传感器LM92,检测电池温度;j. 设有过充电保护、过放电保护和过电流保护;k. 设有电池开路、短路、反接保护;l. 快速充电结束后自动转入涓流充电模式。2.2、系统框图该智能充电器以MC68HC908SR12单片机
6、为控制核心,主要包括电源电路、恒流恒压电路、温度检测电路、键盘响应电路以及状态显示电路。图1是其系统框图。图1 智能快速充电器系统框图恒流恒压电路PWM开关电源外接电源直流12V键盘电路显示电路I/O接口MC68HC908SR12温度传感器模拟部分I2C部分A/D部分电池Rsense0.01SDASCL充电电流10bit A/D电流检测3、硬件设计3.1、电源电路使用开关电源作为充电器的供电设备。开关电源采用脉冲调制方式PWM(Pulse Width Modulation)和MOSFET、BTS、IGBT等电子器件进行设计。开关电源集成化程度较高,具有调压、限流、过热保护等功能。同线性电源相比
7、其输入电压范围宽(通常可达交流85265V)、体积小、重量轻、效率高。其缺点是有脉冲扰动干扰,设计电路板时采用同主控板隔离和添加屏蔽罩等措施,来抑制干扰。3.2、恒流恒压电路恒流恒压电路是智能充电器的关键部分。图2是其电路原理图。恒流恒压电路由SR12单片机片内模拟电路模块和片外的MOSFET开关管、肖特基二极管、滤波电感、滤波电容等器件组成。模拟电路模块是SR12的特有部件,图3为它的结构框图。它由输入多路开关、两组可程控放大器、片内温度传感器、电流检测电路等组成。可程控放大器总放大倍数为1256。放大器的输入可选择为两路模拟输入脚(ATD0、ATD1)、片内温度传感器、模拟地输入(VSSA
8、M)。ATD0和VSSAM间可接一个电流检测电阻,用于测量外部电流,它还连接至电流检测电路,可在电流超过指定值时产生中断并输出信号。图2 恒流恒压电路原理图在充电开始前的预处理阶段,根据不同的电池,软件选择相应的充电算法,将通道选择控制字写入SR12单片机的AMCR寄存器中,将两级可程控运算放大器的增益值写入AMGCR寄存器中。充电开始后,软件定时采集采样电阻Rsense上的电压值,经过计算,设置SR12单片机PWM的输出参数。同时,电流检测电路实时检测充电电流,在电流超过指定值时产生中断并将SR12单片机的PTC0/PWM0/CD端口置为低电平,及时关断充电电流,实现恒流恒压的充电控制。图3
9、 MC68HC908SR12片内模拟电路结构框图设计中为了减小电流的脉动,降低输出纹波,在体积和成本允许的情况下设计选用饱和电流比较大的电感,因为当磁芯接近饱和时损耗增大,会降低转换效率。电感的饱和电流至少应大于充电回路中的峰值电流。同时,电感的直流电阻会消耗一定的功率,在体积和成本许可的情况下设计选用直流电阻尽量小的电感。另外对于低噪声应用,为降低电源的EMI,设计选用具有闭合磁芯的电感。设计中选择滤波电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。滤波电容的等效串联电阻(ESR)是造成输出纹波的主要因素,而且也会影响到转换效率,设计选用低ESR的电容。陶瓷电容和钽电解电容具有较低的ESR,也可选用低
10、ESR的铝电解电容,但应尽量避免标准铝电解电容。容量一般在10F100F,对于较重的负载设计选取大一点的电容。较大容量的滤波电容有利于改善输出纹波和瞬态响应。在每次充电周期结束后,充电环路中可以观察到振荡现象。这是由于电感中的能量全部释放给负载后,在电感自身的寄生电容和引脚分布电容中还储存有一定的能量,在这些能量的作用下,电容和电感构成的谐振回路将发生振荡,部分能量将以电磁波的形式向外辐射出去,造成对SR12单片机和其它电路的干扰,在对噪声敏感的设计应用中必须对其加以抑制。在充电回路中接入肖特基二极管D14来抑制这种EMI。具体做法是,当电感中的能量释放完毕后,通过D14使谐振电路处于临界阻尼
11、或过阻尼状态,将剩余能量消耗在D14上,减小电磁辐射,确保SR12单片机正常工作。同时,肖特基二极管D14的另一重要作用是吸收电感的反向电动势,保护MOSFET开关管Q6。3.3、温度检测电路在快速充电过程中,电池的温度会随着充电容量的增加而上升,尤其在接近充电终止时,温度变化率T/t最大,该特性是判断电池是否充满的主要条件之一,因此,及时、快速和准确地检测电池的温度变化是本电路的关键。本设计选用集成电路温度传感器LM92检测电池温度,图4为其电路原理图。同时,利用SR12单片机的内部温度传感器概略监测环境温度,其测温范围-2070。图4 温度检测电路原理图以往的充电器均多使用热敏电阻作为温度
12、传感器,在本设计中为何舍弃,这是因为热敏电阻的电压输出与温度并非成线性比,在高温时的电压变化率比较小,不易分辨,而且需依靠查表或加设电路才能得知输出电压与温度的关系,其产品一致性差,在出厂前需要校正,增加成本。集成电路温度传感器的参数输出是与温度成线性比,两者之间的关系可以用公式来表达,故即使在较高的温度范围内,集成电路温度传感器也具有很高的准确度,设计中需要较少的芯片支持,有助于节省印刷电路板的板面空间,简化部分系统的设计,加快产品推向市场的时间。LM92是美国国家半导体公司出品的单片高精度数字温度传感器。其内部的12位温度模数转换器,可将被感应温度的模拟量转换为 0.0625 量化间隔的数
13、字量,常温下精度可达0.33,并可与用户设置的温度点进行比较。其片内寄存器可以设置高/低的温度窗口门限及临界温度告警门限,当温度偏离设置门限时,漏级开路中断INT及临界温度告警T_CRIT_A输出有效信号。通过I2C总线接口可对该传感器的内部寄存器进行读/写操作,最多可允许4片LM92挂接在同一条串行总线上。MC68HC908SR12单片机具有I2C接口控制模块,使用通道0(SDA0和SCL0),可十分方便地同温度传感器LM92连接。图4为温度检测电路原理图。LM92采用I2C串行总线和数据传输协议实现同MC68HC908SR12单片机的数据传输。在数据传输的过程中LM92为从器件,通过数据输
14、入、输出线SDA以及时钟信号线SCL与总线相连。其传输时序如图5所示。当SCL保持高电平时,SDA从高电平到低电平的跳变作为数据传输的开始信号,随后传送LM92的地址信息和读/写控制位。地址信息的格式为: 1 0 0 1 0 A1 A0 R/W根据A1A0的不同编码,最多可允许4片LM92挂接在同一条串行总线上,分别对应四节充电电池。读/写控制位为1表示对LM92进行读操作,为0表示进行写操作。每个字节传送结束,要收到接收数据一方的应答信号(ACK)后方可开始下一步操作。最后,在SCL保持高电平的情况下,SDA从低电平到高电平的跳变作为数据传输的结束信号。具体操作过程是:MC68HC908SR
15、12单片机首先传送开始信号,接着写入芯片地址信息和读/写控制位,之后写入要访问的片内寄存器地址,当收到LM92的应答信号(ACK)后,再次传送开始信号,并写入芯片地址信息和读/写控制位,当收到LM92的应答信号(ACK)后,可读/写被访问寄存器的数据,最后传送结束信号。图5 LM92与SR12单片机进行数据传输的时序3.4、键盘响应电路设计键盘响应电路时,使用MC68HC908SR12单片机PORT D(PTD6和PTD7)端口的键盘中断功能(KBI)。根据实际情况,在MC68HC908SR12单片机的键盘中断使能寄存器KBIER中写入相应的值,写入“1”表示中断允许,写入“0”表示不能中断。
16、键盘中断允许的端口,MC68HC908SR12单片机将对其内部上拉30k的电阻,这样键盘响应电路的设计十分简洁,要注意的是应用软件中要增加键盘消抖动子程序,防止误操作。3.5、状态显示电路同样,状态显示电路的设计使用了MC68HC908SR12单片机PORT A(PTA0PTA5)端口的LED直接驱动功能。编程时首先设置PORT A的工作状态,在LED控制寄存器LEDA中写入相应的值,写入“1”表示可直接驱动LED,写入“0”表示作为标准I/O端口。在充电的每个阶段均有状态显示,如:电池处于正在充电状态、电池因温度过高进入温控状态、电池快充结束转入涓流充电状态等。4、软件设计本智能快速充电器的
17、软件设计思想是:各个功能组件实现模块化编程,软件流程采用中断工作方式。目的是使应用软件流程清晰,可读性强,易于功能调试以及产品的维护和升级。本软件主要由初始化、预处理、快速充电和涓流充电四个部分组成。其流程如图6所示。4.1、初始化在程序的初始阶段应首先对MC68HC908SR12单片机进行初始化操作,包括设置I/O端口的输入输出状态,设置PLL锁相环电路参数,设置TIM定时器参数等等。4.2、预处理预处理阶段是进入快速充电前的准备工作。程序初始化后,首先利用MC68HC908SR12单片机的内部温度传感器检测环境温度。环境温度过低或过高时,均不能够对电池进行充电,否则将损伤电池。例如:锂离子
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2705. 智能 快速 充电器
链接地址:https://www.31ppt.com/p-2957372.html