3.6 V/7.2 V 锂离子电池智能充电器设计

0 引 言

充电器是为电池充电的设备 [1-2]，多选用 3.6 V 和 7.2 V规格的锂离子电池 [3]。电子产品一般匹配两套充电设备，且充电器本身不具有充电状态识别、显示、控制功能，电池充满与否依赖电子产品内部自带的电源管理程序控制。该类普通充电器通用性弱、可靠性低，因电池极易过充而引起的电池损耗较大。

针对市场上充电器存在的缺陷，本文设计了一款智能充电器，能够自动识别插入槽内的电池规格，自动完成充电并指示充电状态。既能给 3.6 V 锂离子电池充电又能给 7.2 V锂离子电池充电，当电池失效或者电路故障时，会有红灯闪烁告警。充满后自动关闭且指示灯变绿。

1 智能充电器结构

图 1 所示为智能充电器的结构，在智能充电器内，除了具有普通充电器具备的 AC/DC 模块外，还具有微机单元（8051F330）控制充电状态功能，8051F330 通过采样得到充电端口电压和充电电流，再与程序设置的电压电流比较、判 断、控制电子开关 2SC945 通断来控制充电与指示灯显示状态。充电端口根据识别电池规格自动切换 3.6 V 或 7.2 V 电池充电，并由对应的指示灯显示。

2 单片机 8051F330 控制程序设计

智能充电器程序流程如图 2 所示。

2.1 设计条件

（1）输入电压范围 ：交流 176 ～ 264 V ； （2）输入频率 ：（50±3）Hz ； （3）设计充电电压 ：直流 4.2 V/8.4 V ； （4）设计充电电流 ：（1±10%）A ； （5）充电方式 ：选用先恒流后恒压充电方式，充满后自动关断结束。

2.2 设计过程

2.2.1 AC/DC 电源模块设计

AC/DC 电源模块采用由 TOP224 芯片控制的反激变化电路，输出电压由输出可调的分压电阻切换两种规格，即 4.2 V或 8.4 V，电路如图 3 所示。

2.2.2 单片机 8051F330 端口地址分配

单片机 8051F330 的 1 脚与数字电位器 CAT5113 的 1 脚连 接，2 脚 接 GND，3 脚 与 3.3 V 电源连接，4 脚 和 5 脚 与 JTAG 口连接，6 脚与数字电位器 CAT5113 的 7 脚连接， 7 脚与充电电流信号连接，8 脚与 AC/DC 输出电压采样连接，9 脚悬空，10 脚与充电器的输出端口电压采样连接，11 脚～ 15 脚与充电器指示灯连接，16 脚与 3.6 V/7.2 V 三极管 2SC945 连接，17 脚～ 18 脚悬空，19 脚与充电器电压反馈连接，19 脚与数字电位器 CAT5113 的 2 脚连接，分配电路如图 4 所示。

2.2.3 充电电流电压采样

3.6 V/7.2 V 智能充电器电流采样时，通过 LT6107 芯片连接并将输出信号发送到单片机 7 脚，该充电器充电电压由输出端口发送至单片机 10 脚。充电电流电压采样电路如图 5所示。

2.2.4 单片机 8051F330

3.6 V/7.2 V 智能充电器单片机 8051F330 通过在充电初始时检测电池端口电压来判别电池规格，并由 18 脚发送K_8.4 V/4.2 到三极管，切换为与电池匹配的分压电阻，并由单片机 8051F330 的 9 脚发送信号 K 到三极管以控制充电输出。单片机控制电路如图 6 所示。

2.2.5 充电状态显示

3.6 V/7.2 V 智能充电器设计两个共阴发光二极管，以此观察充电状态的显示，其中一个发光二极管对应 3.6 V 充电状态，另一个发光二极管对应 7.2 V 充电状态。当插入 3.6 V未充满的锂离子电池时，对应 3.6 V 指示灯为红灯，表示在充电状态，充满后变为绿灯，当出现故障或者电池性能下降严重时，则红灯闪烁作为故障告警。当插入 7.2 V 未充满的锂离子电池时，对应 7.2 V 指示灯为红灯，表示在充电状态，充满后变为绿灯，当出现故障或者电池性能下降严重时，红灯闪烁作为故障告警。

3 智能充电器充电测试验证

为了验证以上理论设计，利用 Altium Designer Release 10软件制作 PCB 板， 在 PCB 板上焊接元器件， 单片机8051F330 控制电路如图 7 所示。在智能充电器槽口插入待充的锂离子电池，对应 3.6 V 或 7.2 V 指示灯变红，充满后变绿 ；当插入已失效的电池时，对应指示灯闪烁 ；当电路故障时，对应指示灯闪烁。模块实物如图 8 所示。

4 结 语

本文围绕智能充电器的工作原理，首先设计出 AC/DC电源模块电路图，使充电器实现 4.2 V/8.4 V 输出，然后在单片机（8051F330）芯片引脚采样得到充电电流和电压，进行相应控制，充电器自动识别端口并充电，充满后自动关闭，实时监测指示。最后通过待充的锂离子电池进行充电测试。测试结果表明，3.6 V/7.2 V 智能充电器能够自动识别3.6 V/7.2 V 锂离子电池并充电，充满后自动关闭，可实时监测和指示充电状态。产品操作简单，可靠耐用，具有较好的推广价值。