基于单片机的通用型智能充电器设计

1 概 述

电子信息技术的快速发展使得各种各样的电子产品不断涌现，并朝着便携和小型轻量化的趋势发展，这也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。目前，较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池，由于它们各自的优缺点使得它们在相当长的时期内将共存发展[4]。由于不同类型的电池的充电特性不同，目前通常对不同类型，甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器，这在实际使用中有诸多不便。本文设计了一种通用型的充电器，可对电压等级为1.2V～48V的镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池进行充电。为达到如此宽的充电范围，充电电源采用二级电路拓扑，并使用同一PWM信号源对两级电路进行联动控制。该电源在 85VAC～265VAC的通用输入范围内均可实现1.2V(0.3A)～60V(1.6A)的宽范围输出。同时使用单片机进行充电控制，先进的慢脉冲快速充电法[4]，并综合使用定时控制、电压控制和温度控制来中止快速充电，确保不会因过充电而损伤电池。

2 充电电源的拓扑结构和控制方案

由于要求充电电源的输出变化范围为1.2V(0.3A)～60V(1.6A)，采用单级变换器很难实现这么大的变化范围，故采用了两级结构，电源主电路如图1所示，交流输入经整流滤波得到稳定的直流电压DCin，首先经单端反激变换器预稳压，并实现输入级与输出级的隔离，然后再经BUCK变换器进一步降压，得到所需输出电压。为了保证单端反激变换器能稳定工作，加入了假负载R2。由于电池等效于一个大电容，故输出端可不加滤波电容。

为简化控制，采用同一PWM信号对两级变换器进行联动控制。单端反激变换器的的占空比一般应不超过0.5，以减小开关管电压应力，而BUCK变换器则希望尽量提高占空比，以改善输出电压波形和动态响应，因此，在保证能够实现所要求的输出变化范围的情况下，应尽量提高BUCK变换器的占空比，这样就不能采用完全相同的PWM信号同时控制两级变换器。为此，本文给出了一种相对简单的控制策略，使用同一 PWM信号变换出占空比不同的两路PWM信号，分别控制两级变换器，具体实现方法如下所述。

对于任一方波信号，要改变其占空比（对应于导通时间，即信号处于高电平状态的时间），一般有两种实现途径：一是改变其导通时间而频率保持不变，二是改变其频率而导通时间保持不变。本文采用后一种途径，即用PWM控制器输出的信号直接控制BUCK变换器，而在保持导通时间不变的情况下将其信号进行二分频，得到占空比减半的信号来控制单端反激变换器。具体实现电路如图2(a)所示，源信号经分频器二分频，得到频率减半的信号，再与源信号相与，即得到导通时间不变而频率减半的信号。电路中各点波形参见图2(b)。

3 充电控制方案

近年来，如何对电池高效、快速地充电成为充电技术研究的热点，国内外研究人员也提出了不少快速充电方法，本文即参考了其中一种较实用的慢脉冲快速充电法，这种方法能确保在充电过程中及时消除或降低电池极化，电池析气量少，温升低，充电效率高。整个充电过程由恒流和恒压充电两个阶段组成，在每一阶段均以周期为几秒到几十秒的电流或电压脉冲进行充电。而两阶段的转换时刻则由电池的充电状态所决定。

由于充电方法相对较复杂，且需要对多种类型和规格的电池进行充电，故需要采用可编程器件进行控制，而单片机以其相对强大的功能和低廉的价格成为首选。本文选用Motorola公司推出的 MC68HC908GP32作为主控元件，整个系统的组成框图如图3所示，反映电池充电状态的充电电流、电池电压和温度信号经采样电路送入单片机的A/D 转换口，单片机根据充电算法，通过D/A转换口输出信号控制充电电源的电压或电流给定，从而达到控制充电电源输出的目的。

软件系统采用模块化设计方法，整个程序由主程序模块、各类电池充电子程序模块以及错误处理模块组成，各模块相对独立，以便于算法改进及功能扩充，其中主程序模块构架了软件系统的骨架，通过其对其他模块的调用来实现完整的充电过程控制，其流程图见图4。

为确保充电安全，在开始充电前检测电池电压和温度，以排除电池接反、用户选择的电池规格有误等错误，并判断电池的状态是否适合快速充电，如电池电压或温度过低，则需要进行小电流预充电，待电池电压、温度达到正常范围后再开始快速充电。在整个充电过程中均实时检测电池电压和温度，并综合采用最高电压控制、电压零增量控制、最高温度控制和定时控制等方法来终止快速充电，以确保电池不被过充。

4　实验及结论

本文采用清华大学Motorola单片机应用开发研究中心推出的MC68HC908GP32 IDK作为开发系统[2]，对该充电器进行了实验测试，在整个负载范围内均有稳定的输出，开关管的最小导通时间（对应于最小负载）约为1.2us，而开关管（MTP4N80）的开关时间和反向恢复时间之和小于0.7us，故充电电源能稳定工作。

本文设计了一个通用型智能充电器，给出了宽范围充电电源的一种实现方法，并充分利用了单片机强大的控制功能，绝大部分功能由软件编程实现，使得系统对硬件的依赖性较小，便于功能的扩充及改进。


参考文献:

[1] Motorola. MC68HC908GP32/MC68HC08GP32 Technical Data. Rev.6,2002
[3] 刘慧银，程建平等. Motorola微控制器MC68HC08原理及其嵌入式应用. 北京：清华大学出版社，2001
[4] 王鸿麟，钱建力，周晓军. 智能快速充电器设计与制作. 北京：科学出版社，1998
[5] 王坚，秦大为等. 慢脉冲快速充电方法的研究. 电池工业.2002,7(3).160-164