智能快速充电器硬件与软件设计

1、智能快速充电器器摘要： 本文介介绍了一种智智能快速充电电器的设计过过程。该充电电器基于 MMotoroola 公司司的 MC668HC9008SR122 单片机为为控制核心，将将 SR122 特有的模模拟电路模块块、高精度 A/D 转转换 、 II 2 C 总线接口以以及高速 PPWM 等功功能运用到充充电控制中，详详细讲述了其其硬件和软件件的设计过程程， 并从元元器件筛选 、 PCBB 板绘制和和软件设计等等方面介绍了了该 充电器器 抑制和防防电磁干扰的的措施。 关键词： 单片片机 A/DD 转换 II 2 C 总线 传感感器 电磁干干扰 1 、引言 随着便携式式设备不断小小型化、轻量量化和

2、高性能能化，作为其其电源的二次次电池的使用用率日益提高高。我单位于于 19988 年在对 充电器市场场 调研后，设设计开发了 “ ZXGG 999 型智能快快速充电器”， 1999 年设计定型型，同年投入入生产，截止止到 20001 年底，已已经累计生产产了 50000 多部，取取得了一定的的社会效益和和经济效益。今今年又签定了了几千部的生生产合同，但但是随着产量量的逐年增加加，以及 二二次电池市场场的不断变化化，该产品在在设计中的不不足越来越明明显。主要有有以下几点： a “ ZZXG 99 型智智能快速充电电器”的中央央微处理器选选择的是 OOTP 型 单片机 ，不不 具有片上上 FLAS

3、SH 存储器器，程序固化化后不能更改改，这在产品品批量生产时时十分不便，而而且随着市场场上 二次电电池的充电特特性不断变化化，设计人员员要及时更改改充电控制参参数或开发新新的充电算法法，这样对已已出厂的产品品只能更换新新的 MCUU ，增加了了生产成本； b “ ZZXG 99 型智智能快速充电电器”只能对对 镍镉电池池（ Niccd ） 和和镍氢电池（ NiMH ）充电，没没有涉及锂离离子电池，主主要原因是当当时锂离子电电池的普及率率低，价格高高。但是锂离离子电池具有有较高的能量量重量比和能能量体积比、无无记忆效应、可可多次重复充充电、使用寿寿命长等优点点，促进了便便携式产品向向更小更轻的的

4、方向发展，使使得选用单节节锂离子电池池供电的产品品越来越多，同同时其价格也也越来越低。今今后二次电池池的主流将是是锂离子电池池，作为一个个完整的产品品应该将其纳纳入到设计中中； c 该 OOTP 型单单片机 的 A/D 采采样值只有 8 位，在在对电池进行行 - V 检测测中精度不够够，不能对充充电过程实行行更精确的控控制。 在开发新型智能能充电器中，首首要环节就是是 中央微处处理器 MCCU 的选型型。考虑到既既要增加产品品的智能化和和实用性 ，又又要降低生产产成本， 最最终决定 选选用 Mottorolaa 公司新近近推出的 MMC68HCC908SRR12 作为为 新型 智智能快速充电电

5、器的 MCCU ，这是是因为 SRR12 具有有模拟电路模模块、高精度度 A/D （ 10 位）、 II 2 C 总线接口以以及高速 PPWM 等功功能，特别适适合开发电池池充电器和 SMBuss 智能电池池， 可极大大的减少片外外其它元器件件的开销，达达到降低生产产成本的目的的，同时也提提高了产品的的一致性和可可靠性。 2 、概述 2.1 、功能能特性 以 MCC68HC9908SR112 单片机机为控制核心心； 根据二次次电池的充电电特性，软件件智能识别 镍镉电池（ Nicd ） 、镍氢氢电池（ NNiMH ） 和锂离子电电池（ Lii+ ），选选择相应的控控制模块和算算法对其快速速充电；

6、 采用最高高端电压 VV max 、最高温度度 T maax 、最长长充电时间 t maxx 、电压负负增长 - V 、温温度变化率 T/ t 等快快速充电终止止法； 能对 11 4 节 镍镉电电池（ Niicd ） 、镍氢电池池（ NiMMH ）单独独或同时充电电； 能对 11 2 节 锂离子子电池（ LLi+ ）单单独或同时充充电； 充电速率率，每 0.1Ah 的的充电时间 10mmin ； 对 镍镉镉电池（ NNicd ） 、镍氢电池池（ NiMMH ）采用用脉冲充电模模式，消除记记忆效应； 对 锂离离子电池（ Li+ ）采采用恒流转恒恒压充电模式式； 使用具有有 I 2 C 接口的的高

7、精度数字字温度传感器器 LM922 ，检测电电池温度； 设有过充充电保护、过过放电保护和和过电流保护护； 设有电池池开路、短路路、反接保护护； 快速充电电结束后自动动转入涓流充充电模式。 2.2 、系统统框图 该智能充电器 以 MC668HC9008SR122 单片机为为控制核心，主主要包括电源源电路、 恒恒流恒压电路路、温度检测测电路、键盘盘响应电路以以及状态显示示电路。图 1 是其系系统框图。 3 、 硬件设设计 3.1 、 电电源电路 使用开关电源作作为充电器的的供电设备。 开关电源采用脉脉冲调制方式式 PWM （ Pullse Wiidth MModulaation ）和 MOOSFE

8、T 、 BTSS 、 IGGBT 等电电子器件进行行设计。开关关电源集成化化程度较高，具具有调压、限限流、过热保保护等功能。同同线性电源相相比其输入电电压范围宽（通通常可达交流流 85 265VV ）、体积积小、重量轻轻、效率高。其其缺点是有脉脉冲扰动干扰扰，设计电路路板时采用同同主控板隔离离和添加屏蔽蔽罩等措施，来来抑制干扰。 3.2 、恒流流恒压电路 恒流恒压电路是是智能充电器器的关键部分分。图 2 是其电路原原理图。恒流流恒压电路由由 SR122 单片机片片内模拟电路路模块和片外外的 MOSSFET 开开关管、肖特特基二极管、滤滤波电感、滤滤波电容等器器件组成。模模拟电路模块块是 SR1

9、12 的特有有部件，图 3 为它的的结构框图。它它由输入多路路开关、两组组 可程控放大器、片片内温度传感感器、电流检检测电路等组组成。可程控控放大器总放放大倍数为 1 2256 。放放大器的输入入可选择为两两路模拟输入入脚（ ATTD0 、 ATD1 ）、片内温温度传感器、模模拟地输入（ V SSAAM ）。 ATD0 和 V SSSAM 间间可接一个电电流检测电阻阻，用于测量量外部电流，它它还连接至电电流检测电路路，可在电流流超过指定值值时产生中断断并输出信号号。 在充电开始前的的预处理阶段段，根据不同同的电池，软软件选择相应应的充电算法法，将通道选选择控制字写写入 SR112 单片机机的

10、AMCCR 寄存器器中，将两级级 可程控 运算放大器器的增益值写写入 AMGGCR 寄存存器中。 充充电开始后，软软件定时采集集采样电阻 R sennse 上的的电压值，经经过计算，设设置 SR112 单片机机 PWM 的输出参数数。同时，电电流检测电路路实时检测充充电电流，在在电流超过指指定值时产生生中断并将 SR12 单片机的 PTC0/PWM0/CD 端口口置为低电平平， 及时关关断充电电流流，实现恒流流恒压的充电电控制。 500)thiis.styyle.wiidth=5500; onmouusewheeel=rreturnn bbimmg(thiis) bordder=0设计中为了减

11、小小电流的脉动动，降低输出出纹波，在体体积和成本允允许的情况下下设计选用饱饱和电流比较较大的电感，因因为当磁芯接接近饱和时损损耗增大，会会降低转换效效率。电感的的饱和电流至至少应大于充充电回路中的的峰值电流。同同时，电感的的直流电阻会会消耗一定的的功率，在体体积和成本许许可的情况下下设计选用直直流电阻尽量量小的电感。另另外对于低噪噪声应用，为为降低电源的的 EMI ，设计选用用具有闭合磁磁芯的电感。 设计中选择滤波波电容的主要要依据是系统统对电源纹波波的要求。滤滤波电容的等等效串联电阻阻（ ESRR ）是造成成输出纹波的的主要因素，而而且也会影响响到转换效率率，设计选用用低 ESRR 的电容。

12、陶陶瓷电容和钽钽电解电容具具有较低的 ESR ，也也可选用低 ESR 的的铝电解电容容，但应尽量量避免标准铝铝电解电容。容容量一般在 10 F 1100 F ，对于于较重的负载载设计选取大大一点的电容容。较大容量量的滤波电容容有利于改善善输出纹波和和瞬态响应。 在每次充电周期期结束后，充充电环路中可可以观察到振振荡现象。这这是由于电感感中的能量全全部释放给负负载后，在电电感自身的寄寄生电容和引引脚分布电容容中还储存有有一定的能量量，在这些能能量的作用下下，电容和电电感构成的谐谐振回路将发发生振荡，部部分能量将以以电磁波的形形式向外辐射射出去，造成成对 SR112 单片 机和其它电电路的干扰，在

13、在对噪声敏感感的设计应用用中必须对其其加以抑制。在在充电回路中中接入肖特基基二极管 DD14 来抑抑制这种 EEMI 。具具体做法是，当当电感中的能能量释放完毕毕后，通过 D14 使使谐振电路处处于临界阻尼尼或过阻尼状状态，将剩余余能量消耗在在 D14 上，减小电电磁辐射，确确保 SR112 单片 机正常工作作。同时，肖肖特基二极管管 D14 的另一重要要作用是吸收收电感的反向向电动势，保保护 MOSSFET 开开关管 Q66 。 3.3 、温度度检测电路 在快速充电过程程中，电池的的温度会随着着充电容量的的增加而上升升，尤其在接接近充电终止止时，温度变变化率 T/ t 最大大，该特性是是判断

14、电池是是否充满的主主要条件之一一，因此，及及时、快速和和准确地检测测电池的温度度变化是本电电路的关键。 本设计选用集成成电路温度传传感器 LMM92 检测测电池温度，图图 4 为其其电路原理图图。同时，利利用 SR112 单片机机的内部温度度 传感器概概略监测环境境温度，其测测温范围 -20 70 。 图 4 温度检检测电路原理理图 以往的充电器均均多使用热敏敏电阻作为温温度传感器，在在本设计中为为何舍弃，这这是因为热敏敏电阻的电压压输出与温度度并非成线性性比，在高温温时的电压变变化率比较小小，不易分辨辨，而且需依依靠查表或加加设电路才能能得知输出电电压与温度的的关系，其产产品一致性差差，在出

15、厂前前需要校正，增增加成本。 集成电路温度传传感器的参数数输出是与温温度成线性比比，两者之间间的关系可以以用公式来表表达，故即使使在较高的温温度范围内，集集成电路温度度传感器也具具有很高的准准确度，设计计中需要较少少的芯片支持持，有助于节节省印刷电路路板的板面空空间，简化部部分系统的设设计，加快产产品推向市场场的时间。 LM92 是美美国国家半导导体公司出品品的单片高精精度数字温度度传感器。其其内部的 112 位温度度模数转换器器，可将被感感应温度的模模拟量转换为为 0.06625 量化间隔隔的数字量，常常温下精度可可达 0.33 ，并可与用用户设置的温温度点进行比比较。其片内内寄存器可以以设

16、置高 / 低的温度度窗口门限及及临界温度告告警门限，当当温度偏离设设置门限时，漏漏级开路中断断 INT 及临界温度度告警 T_CRIT_A 输出有有效信号。通通过 I 22 C 总线线接口可对该该传感器的内内部寄存器进进行读 / 写操作，最最多可允许 4 片 LLM92 挂挂接在同一条条串行总线上上。 MC68HC9908SR112 单片机机具有 I 2 C 接接口控制模块块，使用通道道 0 （ SDA0 和 SCLL0 ），可可十分方便地地同 温度传传感器 LMM92 连接接。图 4 为温度检测测电路原理图图。 LM92 采用用 I 2 C 串行总总线和数据传传输协议实现现同 MC668HC

17、9008SR122 单片机 的数据传输输。在数据传传输的过程中中 LM922 为从器件件，通过数据据输入、输出出线 SDAA 以及时钟钟信号线 SSCL 与总总线相连。其其传输时序如如图 5 所所示。当 SSCL 保持持高电平时， SDA 从从高电平到低低电平的跳变变作为数据传传输的开始信信号，随后传传送 LM992 的地址址信息和读 / 写控制制位。地址信信息的格式为为： 根据 A 1 A 00 的不同编编码，最多可可允许 4 片 LM992 挂接在在同一条串行行总线上，分分别对应四节节充电电池。读读 / 写控控制位为 11 表示对 LM92 进行读操作作，为 0 表示进行写写操作。每个个字

18、节传送结结束，要收到到接收数据一一方的应答信信号（ ACCK ）后方方可开始下一一步操作。最最后，在 SSCL 保持持高电平的情情况下， SSDA 从低低电平到高电电平的跳变作作为数据传输输的结束信号号。 具体操作过过程是： MMC68HCC908SRR12 单片片机 首先传传送开始信号号，接着写入入芯片地址信信息和读 / 写控制位位，之后写入入要访问的片片内寄存器地地址，当收到到 LM922 的应答信信号（ ACCK ）后，再再次传送开始始信号，并写写入芯片地址址信息和读 / 写控制制位，当收到到 LM922 的应答信信号（ ACCK ）后，可可读 / 写写被访问寄存存器的数据，最最后传送结

19、束束信号。 3.4 、键盘盘响应电路 设计键盘响应电电路时，使用用 MC688HC9088SR12 单片机 PPORT DD （ PTTD6 和 PTD7 ）端口的键键盘中断功能能（ KBII ）。根据据实际情况，在在 MC688HC9088SR12 单片机的 键盘中断使使能寄存器 KBIERR 中写入相相应的值，写写入“ 1 ”表示中断断允许，写入入“ 0 ”表表示不能中断断。键盘中断断允许的端口口， MC668HC9008SR122 单片机将将对其内部上上拉 30kk 的电阻阻，这样键盘盘响应电路的的设计十分简简洁，要注意意的是应用软软件中要增加加键盘消抖动动子程序，防防止误操作。 3.5

20、 、状态态显示电路 同样，状态态显示电路的的设计使用了了 MC688HC9088SR12 单片机 PPORT AA （ PTTA0 PTA5 ）端口的 LED 直直接驱动功能能。编程时首首先设置 PPORT AA 的工作状状态，在 LLED 控制制 寄存器 LEDA 中写入相应应的值，写入入“ 1 ”表表示可直接驱驱动 LEDD ，写入“ 0 ”表示示作为标准 I/O 端端口。在充电电的每个阶段段均有状态显显示，如：电电池处于正在在充电状态、电电池因温度过过高进入温控控状态、电池池快充结束转转入涓流充电电状态等。 4 、软件设计计 本智能快速速充电器的软软件设计思想想是：各个功功能组件实现现模

21、块化编程程，软件流程程采用中断工工作方式。目目的是使应用用软件流程清清晰，可读性性强，易于功功能调试以及及产品的维护护和升级。 本软件主要由初初始化、预处处理、快速充充电和 涓流流充电四个部部分组成。 其流程如图图 6 所示示。 4.1 、初始始化 在程序的初始阶阶段应首先对对 MC688HC9088SR12 单片机进行行初始化操作作，包括设置置 I/O 端口的输入入输出状态，设设置 PLLL 锁相环电电路参数，设设置 TIMM 定时器参参数等等。 4.2 、预处处理 预处理阶阶段是进入快快速充电前的的准备工作。 程序初始始化后，首先先利用 MCC68HC9908SR112 单片机机的内部温度

22、度 传感器检检测环境温度度。环境温度度过低或过高高时，均不能能够对电池进进行充电，否否则将损伤电电池。例如： 锂离子电电池（ Lii+ ）的适适宜充电温度度范围在 22.5 50 之间。 然后，设设置 A/DD 转换参数数和通道，检检测电池的端端电压。将检检测数据同理理论经验值比比较，判断电电池的类别以以及是否连接接正确。对端端电压低的电电池，采用短短时间的脉动动电流充电，这这样有利于激激活电池内的的化学反应物物质，部分恢恢复受损的电电池单元。对对端电压在标标称范围内的的电池选择相相应的充电控控制模块和算算法，对端电电压不在标称称范围内的电电池，软件自自动将其剔除除。 4.3 、快速速充电 按

23、预定的充充电控制模块块和算法设置置 MC688HC9088SR12 单片机 PPWM 的控控制寄存器 PWMCRR 、时钟寄寄存器 PWWMCCR 以及数据寄寄存器 PWWMDR0 PWMMDR2 ，打打开中断使能能位，开始快快速充电。 快速充电时时， MC668HC9008SR122 单片机 必须不断检检测以下几项项关键技术指指标：电路是是否出现断路路、电池是否否出现不均衡衡现象、电池池是否达到规规定的安全电电压、电池是是否温度过高高、电池是否否满足 - V 或 T/ t 条件件。 其中电池的的断路主要通通过检测采样样电阻 R sensee 上的电流流大小来判断断。而且为了了避免误判断断，应

24、该反复复检测。当出出现断路时，应应重新返回预预处理阶段。断断路的判断时时机应该在电电池端电压已已经达到预定定值的情况下下进行，否则则在电池端电电压没有达到到预定值的情情况下，充电电电流比较小小，可能出现现误判断。 均衡充电电是本智能充充电器的另一一个重要特点点。在充电的的过程中，由由于电池的质质量不相同，容容量小、质量量差的电池端端电压在充入入相同电量后后会出现电压压增长比另一一个电池多的的情况，如果果不采取措施施，它们的电电压差将会增增大，以至其其中一个电池池很快达到规规定的安全电电压，充电过过程也将被迫迫停止。此时时应该停充电电压高的电池池，即均衡充充电。这样有有利于恢复电电池内受损的的单元，使充充电过程能顺顺利地进行下下去。 电池的端端电压