基于嵌入式微處理器的電能收集充電器設計

隨著計算機技術和電力電子技術的發展，移動手機、數碼產品、手提電腦、便攜儀器等設備正成為人們生活中不可或缺的工具與這些產品相對應的充電器的設計也越來越受到關注，且充電器的好壞將會直接影響到產品的性能和使用壽命。現代生活中充電設備數量迅速增多，而各個廠商所出的充電接口又各不相同，與此同時，市場上充電器的種類特別繁多，且充電器的較典型的實現方法是用一個專門功能的集成電路IC去控制充電電流/電壓的范圍，這種普通的恒流或恒壓充電器都有充電效率低、充電時間長、降低電池壽命等缺陷。本文針對鋰離子可充電池的充放電特性及實際使用中的需求，利用新型的嵌入式芯片LM3S1138為主控制器，在鋰離子電池充電的過程中，進行智能控制，嚴格控制充電電流、電壓、溫度等物理參數，從而實現數字化、智能化、節能化的特點。

1 電能收集充電器硬件設計

電能收集充電器的硬件設計，主要包括直流電源、電源變換器、EasyARM1138、PWM發生器、采樣電路、可充電池等部分的設計與整合，形成一個循環系統。其電路模塊如圖1所示。

1.1 EasyARM1138嵌入式微處理器

EasyARM1138嵌入式微處理器采用了Luminary Micro公司Stellaris系列基于Cortex-M3內核的LM3S1138芯片，該芯片包含一個低壓降的穩壓器，集成的掉電復位和上電復位功能，仿真比較器，10 bit的ADC，SSI，GPIO，看門狗和通用定時器，UART，I2C及運動控制的PWM等各種豐富的外設功能，可直接通向GPIO管腳，不需要特性的復用。非常適合用作智能型充電器的控制單元。

EasyARM1138的任務是從采樣電路處實時采集電池的充電狀態，通過計算決定下一階段的充電電流，并產生合適的PWM信號來控制充電電流;通過UART、LCD來實時地傳輸和顯示采樣數據，采集的電池參數不正常時，可以產生報警信號。

1.2 電源變換和控制電路

1.2.1 BUCK電源變換電路

在電能收集過程中，充電器通過控制電壓或者電流來實現不同的充電策略。設計采用容易控制的、效率高的BUCK變換器。BUCK變換器是用EasyARM1138產生的PWM信號控制的，通過控制PWM的占空比，來控制開關管Q2輸出電壓或者電流。BUCK變換電路如圖2所示。

Vi、Vo分別為輸入輸出電壓，D1是續流二極管。BUCK變換器的工作原理：當PWM輸出高電平時，開關管導通，電流通過晶體管和電感到電池。在這一階段，電感吸收能量，電容被充電。當PWM輸出低電平時，開關管關斷，電流經二極管D1續流，電感兩端的電壓反向，電流由二極管提供。電感和電容作為濾波器輸出電壓和電流。

1.2.2 PWM發生器

PWM發生器集成在EasyARM1138系統中，利用定時器(Timer)模塊的16 bit PWM功能來產生PWM信號。在PWM模式中，TimerA或TimerB配置為16 bit元元元的遞減計數器，通過設置適當的裝載值(決定PWM周期)和匹配值(決定PWM占空比)來自動產生PWM方波信號，并從相應的管腳輸出。

本方法的基本思想是利用EasyARM1138所具有的PWM()管口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調整PWM控制寄存器來調整PWM的占空比，從而控制充電電流。在調整充電電流前，處理器先快速讀取充電電流的大小，然后把設定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較。若實際電流偏小，則向增加充電電流的方向調整PWM的占空比;若實際電流偏大，則向減小充電電流的方向調整PWM的占空比。在軟件PWM的調整過程中要注意ADC的讀數偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術平均法等數字濾波技術。

1.3 采樣電路

采樣包括對充電電流和充電電池端電壓的采樣。采樣的電壓和電流經EasyARM1138中的1個集成的10 bit ADC模塊送到LM3S1138控制芯片中，LM3S1138對數據進行處理與保存。ADC模塊支持8個輸入通道，輸出最大誤差為±3 mV，±3.3 V電源供電，并含有4個可編程的序列發生器，這些序列發生器可在無需控制器干涉的情況下對多個模擬輸入源進行采樣。電流與電壓采樣原理圖如圖3所示。

(1)電流和電壓采樣

為了降低成本，設計中對電流采樣不外加傳感器，通過1個傳感電阻R6把流過電池的電流轉換成電壓后，再進行ADC轉換取樣。流過電池的電流可能會很大(超過1 A)，如果傳感電阻取得較大，那么就會產生較大的電壓降，根據功率計算公式：P=I2R，消耗的功率太大，就會產生較多的熱量，顯然這樣做是不可取的。本設計中使R6=0.1 Ω，用LM358運算放大器把電壓放大到3 V左右，再傳送到ADC轉換器的ADC1管腳。電壓采樣直接通過改變滑動電阻R4的大小，使輸出電壓在0～3 V額定范圍，再傳送到ADC轉換器的ADC0管腳進行數據轉換。

(2)保護電路和基準穩壓源

如果進入ADC管腳的電壓過大，有可能造成芯片損壞，正確的做法是必須要有限壓保護措施，典型的用法是利用鉗位保護二極管。為了抑制串入ADC輸入信號上的干擾，一般還要進行RC低通濾波，如圖4所示。

ADC轉換器需要一個基準電壓為參照，以完成模擬電壓信號到數字信號的量化。基準電壓直接影響電壓和電流采樣的結果。EasyARM1138內部集成可編程選擇的3.3 V的基準穩壓源，可確保ADC基準電壓的準確性，不需要采用外部的穩壓源，可以節省設計的成本。

2 軟件程序設計

電能收集充電器的充電電流、電壓都是受限制的，“電池特性”的所有資料都根據標度因子計算得到。這些數據在包含文件里定義，在編譯時計算，在程序運行時以常數方式處理。所有從ADC輸出的資料都可以直接與這些常數進行比較。也就是說，在程序運行過程中，不需要進行實時計算，從而節省了計算時間和程序空間。鋰離子可充電池采用恒流-恒壓充電方式，其充電主控制程序流程如圖5所示。