用帶2KB閃存的80C51基微控制器設計離線鋰離子電池充電器

工程師可以采用恰當組合外設和閃存的合適8位微控制器來設計離線鋰離子電池充電器，這是一個相當不錯的選擇。 集成2KB閃存和合適外設的80C51基微控制器所提供的解決方案并不昂貴。集成的閃存還能簡便有效地調試應用碼，如果必要的話，還可現場升級軟件。
由于設計領域已經廣泛接受并熟悉了80C51，軟件/硬件開發便可以加快進行。這一方法的另一優勢在于，眾多廠商提供了一系列強大而經濟的應用開發工具?？紤]到成本、設計效率和安全的電池充電的重要性，基于微控制器的解決方案的諸多優勢便不言而喻。 

外設集成
離線鋰離子電池充電器設計的益處體現在2個方面。微控制器集成了一個內部振蕩器，節省了外部振蕩器的器件成本及其PC主板的封裝形式；內部振蕩器改進了系統啟動時的穩定性。
4通道模數轉換器是設計工程師應集成到芯片上的另一個頗具價值的外設。 它不僅能節省外部模數轉換器成本，還能用于監測充電電壓、電流及電池溫度，這些都是安全電池充電操作的重要參數。
本文介紹的用于設計的微控制器－飛利浦半導體的P89LPC916 － 不僅集成了這些功能， 同時包含高性能的處理器架構，能在2個時鐘中執行指令，這樣可以將性能提高至標準80C51器件的6倍。定時器0很容易配置，用于脈寬調制（PWM）輸出，使裝配和使用PWM功能變得簡單。

電池充電的基本原理
該設計方案是專門針對放電電壓為3.6 V、電壓極限為4.2 V、額定容量為700-750mAh的鋰離子電池的充電方案。
充電分為3個階段：預充階段、恒流充電階段和恒壓充電階段。
如果電池的電荷很低，只能產生很低的輸出電壓，預充階段則必不可少。這種情況下，必須采用低電流充電，以保護電池。如果電池已經可以產生很高的電壓（大于3V），就可以安全地省略預充階段。當然，大多數情況都是如此。
能量大多數是在恒流充電階段和恒壓充電階段由充電器流入電池的。特定電池允許的最大充電電流由電池的額定容量決定。例如，額定容量為700mAh的電池，可以使用350mA到400mA的電流進行快速充電。
就鋰離子電池而言，微控制器必須維持電池的默認充電電壓，同時還要監測充電電流，以確定電池何時充滿，結束充電。
溫度監測可以保證安全的充電流程，因為只要電池達到充滿狀態，所有多余的電能都會轉化為熱能。盡管微控制器必須在原有性能之上增加溫度監測功能，然而目前市場上大多數鋰離子電池都已經具備了過充保護功能，因此，溫度監測盡管必不可少，卻很少應用。

降壓轉換器設計
設計具有錐形中止功能的充電器最經濟有效的方法是，采用降壓轉換器作為開關穩壓器。降壓轉換器采用電感器存儲電能。圖1a和圖1b是開關閉合和斷開時降壓轉換器的運行情況。
圖1a  開關閉合時的降壓轉換器
圖1b  開關斷開時的降壓轉換器
PWM輸出的信號控制著充電開關。開關閉合時（如圖1a所示），充電器（Charger Vin）提供的電壓迫使電流流經電路。電容器通過電感器進行充電。
開關斷開時（如圖1b所示），電感器試圖感應電壓以保持電流流動， 但不能立即發生變化。然后，電流流經肖特基二極管，為電容器充電。該周期能自動重復。
開關閉合時間被PWM的工作周期縮短時，平均電壓下降；反之， 開關斷開時間被PWM的工作周期延長時，平均電壓則上升。因此，控制PWM的工作周期能使微控制器調節充電電壓（或電流），達到滿意的輸出值。
必須注意所關采用的電感器和電容器。
電感器
顯而易見，降壓轉換器的電感器的大小是達到合適的充電電壓和電流的關鍵因素。 電感器的大小也隱含成本因素。電感器大小可以通過下列方程式進行計算：
L = ( Vi - Vsat - Vo) * ( T * DutyCycle) / 2Io     （1）
其中Vi：充電器帶給開關的電壓；Vsat：開關閉合時開關的電壓損耗；Vo：電壓輸出；T：PWM的周期；DutyCycle：PWM的工作周期；Io：電流輸出（例如，恒流充電階段） 。
如方程式1 所示， PWM轉換頻率越高（即轉換周期T越?。?，所需電感器越小，器件成本隨之降低。
電容器
必須注意的是，該電路中的電容器僅僅是一個脈動電流減壓器，越大越好，因為脈動和電容器的值成反比。

設計要點
該解決方案是基于飛利浦的P89LPC916。整體設計策略是，首先采用恒流充電，然后采用恒壓充電，以達到最快充電。微控制器還可控制顯示工作狀態的發光二極管。
精確供電
LPC916的VDD需要精確供壓，因為該電壓是數模/模數轉換器的基準。低壓降（LDO）調節器是該功能的最佳選擇，采用 3終端LDO LM1117為VDD精確提供3.31V的電壓。
PWM輸出方案
定時器0的單信道是用來產生控制降壓轉換器開關的PWM信號的。由于LPC916 自身包含片上RC振蕩器，充電更加穩定有效，尤其是在電壓控制運行模式下。所需PWM頻率僅為約14 kHz，正好在片上振蕩器的范圍之內?？梢愿淖兘祲恨D換器的工作時間，以調整PWM的工作周期。

系統設計
電池充電器系統如圖2所示。PWM輸出控制著充電開關，其工作周期根據充電電壓與充電電流的反饋進行相應的調節。LPC916 片上高速的8位模數轉換器能夠非常精確地監測充電電壓。鋰離子電池應用中，避免過充相當重要，因為將充電量控制在最大范圍內可以延長電池的壽命。
圖2  LPC916 控制的鋰離子電池充電器解決方案
表 1所示是電路的輸入/輸出規格。
表1  輸入/輸出規格
輸入規格
輸出規格
輸入電壓
5.1VDC
輸出電壓- Vout
(恒壓充電時)
4.23VDC ( 1%

輸入電壓范圍
最小值：  5.0V
最大值：  5.5V
輸出電壓范圍
最小值：0 V
最大值：4.27 V
輸入電流
500 mA
輸出電流
(恒流充電時)
350 mA ( 10%

輸入電流極限
最小值： 400mA
輸出電流范圍
最小值：0mA
最大值：385 mA
輸入脈動
最大值： 50Vpp
輸出脈動
最大值：50mVpp
下一步根據(1)式計算電感值。假定Vi為5.1V ，所需輸出電壓Vsat 為0.5 V （Io = 350 mA時），就可以計算出電感值。此外，Vo 為4.25V；所需輸出電流Io 為350mA；1/T 為14.7kHz；所需工作周期為50%。將這些數值輸入公式（1），所得到的結果會大于或等于10 _H 。此外，所得數值的建議值為33 10 _H。盡管輸入電壓可以高于5.1V，電路也可能正常運行，但是高電壓要求采用頻率更高的PWM或更大的電感器，這樣會造成器件成本壓力。
電池充電方法
鋰離子電池充電分3個階段完成：電池電壓低于3V時 ，需要進行預充電，充電電流需保持在65 mA。如果電池電壓上升為3V ( 1%，需要進行快速充電，恒定充電電流應保持在350 mA 。電流可以通過調節控制脈沖維持恒定。 當電池電壓達到4V ( 1% 時，轉而進行恒壓充電。此時電壓需保持在4.23V，充電器對電流進行監測。
進入恒壓充電階段后，還將繼續充電50分鐘，電流應不高于30mA。雖然計時器控制著充電時間，但監測充電終止有三種方式：探測充電電流、使用計時器以及監測溫度（可選）。
充電過程如圖3所示。充電階段轉換的精確值如下：
* 預充階段（如果必要）
如果 Vbat < 3.0 ( 1% ,  Iout 應為Ireg的10%，為65mA
* 快速充電階段（恒流充電）
如果Vbat <= 4.00 ( 1% V，Iout應等于Ireg，為350mA
* 快速充電階段（恒壓充電）
如果Vbat > 4.00 ( 1% V，且Ibat >= 60 mA，Vout應等于Vreg，為4.23V
* 計時器控制充電階段（恒壓充電）
如果Ibat < 60 mA，50分鐘內，Vout應等于Vreg，為4.23V，以確保電池充分充電，同時將充電電流維持在30mA之內。
四個小時后，充電完成。
圖 3  恒流與恒壓充電階段
狀態指示燈
考慮到終端用戶的需求，該設計還包含一個發光二極管狀態指示燈，用以提供充電狀態信息。表2所示是各種具體狀態。
表2  狀態指示燈
發光二極管可視信號
狀態報告
紅色發光二極管低頻率閃動
接通電源，電池充電
紅燈發光穩定
充電完成
紅色發光二極管高頻率閃動
電池不在插座中
紅色發光二極管高頻率閃動
電池短路，充電器自動斷電
紅色發光二極管高頻率閃動
電池突然從插座中拔出；電池重新插入插座15秒后恢復充電
測試
圖4所示電路圖可以在充電過程中對設計進行測試?？梢圆捎脙蓚€萬用表，電壓讀數分別以Vout 和Vsense_res表示。
Vout = Vbat + Vsense_res
充電電流可以通過以下公式進行計算：Iout = Vsense res/0.75。
充電開始時，每隔15秒就會對數據進行一次記錄，當充電電流與充電電壓趨于穩定時，記錄周期會延長為5分鐘一次。
圖4  測試電路
由于各種電池的化學屬性各異，測試結果也會有所不同；此外，電池的原始電壓也會影響測試結果。然而，如圖5和圖6 所示，達到了技術規范的要求。
圖5  輸出電壓測試結果
圖6  輸出電流測試結果

結語
如今，充電電池越來越普遍地用于家庭和工作場合。設計高效、經濟、可靠的電池充電器，可以通過多種途徑完成。然而，采用諸如飛利浦的P89LPC916之類帶閃存微控制器能夠縮短設計時間，降低成本，生產出安全可靠的產品，幫助設計人員輕而易舉地實現產品的現場升級。