基于C8051F310的锂电池充电器设计

引言

　　C8051F310是一款完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片。它具有高速、流水线结构且与8051兼容的CIP-51内核，工作频率可达25MIP-S，片内有全速、非侵入式系统调试接口。此外，此单片机还带有模拟多路器、真正的10位、200ksps的25通道单端／差分ADC。其片内RAM为1280字节。C8051F310内含4个通用的16位定时器、高精度可编程的25 MHz的内部振荡器振荡器振荡器是收发设备的基础电路，它的作用是产生一定频率的交流信号，是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。

　　本文讨论使用C8051F310器件设计锂离子电池充电器。利用PWM脉宽调制产生可用软件控制的充电电源，以适应不同阶段的充电电流的要求。温度传感器对电池温度进行监测，并通过AD转换和相关计算检测电池充电电压和电流，以判断电池到达哪个阶段。使电池具有更长的使用寿命。

　　设计过程

1  充电原理

　　电池的特性唯一地决定其安全性能和充电的效率。电池的最佳充电方法是由电池的化学成分决定的（锂离子、镍氢、镍镉还是SLA电池等）。尽管如此，大多数充电方案都包含下面的三个阶段：

　　低电流调节阶段

　　恒流阶段

　　恒压阶段/充电终止

　　所有电池都是通过向自身传输电能的方法进行充电的，一节电池的最大充电电流取决于电池的额定容量（C）例如，一节容量为1000mAh的电池在充电电流为1000mA时，可以充电1C（电池容量的1倍）也可以用1/50C（20mA）或更低的电流给电池充电。

　　现在使用的大多数充电器在给电池充电时都是既使用低电流充电方式又使用额定充电电流的方法，即容积充电，低充电电流通常使用在充电的初始阶段。在这一阶段，需要将会导致充电过程终止的芯片初期的自热效应减小到最低程度，容积充电通常用在充电的中级阶段，电池的大部分能量都是在这一阶段存储的。

　　充电时部分电能被转换成热能，直至电池充满。而充满后，所有的电能将全部被转换成热能。如果此时不终止充电，电池就会被损坏或烧毁。快速充电器电池则可以解决这个问题，因为这些充电器是使用高充电电流来缩短充电时间的。

2  总体设计

　　充电电路由三部分：控制部分，检测部分及充电部分组成。

　　如图1所示，采用F310单片机进行充电控制，单片机本身具有脉宽调制PWM型开关稳压电源所需的全部功能，具有10位A/D转换器。

　　利用单片机A/D端口，构成电池电压，电流，温度检测电路。

    图1  锂离子电池充电模块图

    单片机通过电压反馈和电流反馈信号，直接利用PWM输出将数字电压信号并转化成模拟电压信号，能够保证控制精度。

3  控制部分电路设计

　　C8051F310单片机

　　①模拟外设

　　a.10位ADC：转换速度可达200ks/s,可多达21或17个外部单端或差分输入，VREF可在外部引脚或VDD中选择，内置温度传感器（±3℃），外部转换启动输入；

　　b.两个模拟比较器：可编程回差电压和响应时间，可配置为中断或复位源，小电流（〈0.5μA）。

　　②供电电压

　　a.典型工作电流：5mA、25MHz；

　　b.典型停机电流：0.1μA；

　　c.温度范围：-40～+85℃。

　　③高速8051微控制器内核

　　a.流水线指令结构：70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期；

　　b.速度可达25MI/s（时钟频率为25MHz时）；

　　c.扩展的中断系统。

　　④数字外设

　　a.29/25个端口I/O：所有的口线均耐5V电压；

　　b.4个通用16位计数器/定时器；

　　c.16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有5个捕捉/比较模块；

　　d.使用PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式。

　　控制电路中如图2所示，P0.3口提供充电电源，P0.6口检测充电电压的大小，P0.5口检测充电电流的大小，P0.4口检测电池的温度。

    图2  控制电路接线图

　　充电电流由单片机脉宽调制PWM产生，充电电流由AD转换再经过计算得出。

4  充电部分及检测部分电路设计

　　图3为充电电路与检测电路图。

    图3  充电电路与检测电路图

 　　①充电过程曲线

　　如图4所示，充电过程由预充状态，恒流充电状态和恒压充电状态组成。

    图4  锂电池充电曲线

　　②快速转换器

　　实现渐弱终止充电器的最经济的方法就是用一个快速转换器。快速转换器是用一个电感和/或一个变压器（需要隔离的时候用变压器）作为能量存储单元以离散的能量包的形式将能量从输入传输至输出的开关调节器反馈电路，通过晶体管来调节能量的传输，同时也作为过滤开关，以确保电压或电流在负载时保持恒定。

　　快速调节器的操作是通过控制一个晶体管开关的占空比来实现的。占空比会自动增加以使电池流入更多的电流。当VBATT

a  开关闭合

b  开关打开

    图5  快速转换器操作

　　③电感的确定

　　电感对交流电是有阻碍作用的。在交流电频率一定的情况下，电感量越大，对交流电的阻碍能力越强，电感量越小，其阻碍能力越小。

　　其工作原理是这样的：当负载两端的电压要降低时，通过MOSFET场效应管的开关作用，外部电源对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端地电压升高时，通过MOSFET场效应管的开关作用，外部电源供电断开，电感释放出刚才充入的能量，这时电感就变成了电源继续对负载供电。随着电感上存储的能量地消耗。负载两端的电压开始逐渐降低，外部电源通过MOSFET场效应管的开关作用又要充电。