基于KA7500B的智能锂电池充电器设计

谈发明

(江苏理工学院电气信息工程学院，江苏 常州 213001)

0 引言

近年来，数码产品的使用越来越广泛，鉴于产品的灵活性和方便性需求，便将锂电池作为主要的能量来源[1]。锂电池对充电器的要求比较苛刻。普通的锂电池充电器可能会对锂电池造成过充或欠充，影响锂电池的使用寿命，而且充电速度较慢，效率不是很高[2]。

本文设计的智能锂电池充电器，分阶段以恒流或恒压的充电方式对锂电池充电，具有过流、过压保护功能，克服了普通锂电池充电器的过充或欠充、充电速度慢的问题。

1 系统整体方案

图1 系统总体框图

系统的总体框图如图1所示，系统由主回路、反馈回路、保护电路、人机交互等部分组成[3]。主回路中包括AC/DC转换电路部分，BUCK DC/DC降压电路部分。AC/DC转换电路包括隔离变压器降压、整流桥路整流及滤波。反馈回路则包括电路锂电池电压电流采样部分、小信号放大部分、A/D转换部分、控制电压输出部分。保护电路包括电压电流检测及保护等电路。人机交互则包含键盘、显示控制部分。

2 主体电路设计

设计采用KA7500B控制BUCK DC/DC降压变换，具有在不同充电阶段对锂电池的恒流或恒压充电功能，具体设计如图2所示。由于KA7500B的两路反馈是在KA7500B内部是相“与”后再进行控制的，充电器接上锂电池后，当STC12C5A60S2检测到锂电池电压小于3V时，此时，在KA7500B内部只有电流反馈控制输出脉宽，对锂电池用恒定100mA电流涓流充电;当STC12C5A60S2检测到锂电池电压大于3V且小于4.2V时，用恒1 000mA电流充电。随着锂电池电压的升高，当STC12C5A60S2检测到锂电池电压等于4.2V时，此时，在KA7500B内部只有电压反馈控制输出脉宽，以恒压4.2V对锂电池充电。当STC12C5A60S2检测到充电电流减小到小于10mA时，充电器停止工作，充电工作完成。这样，电路就在不同充电阶段实现了对锂电池的恒流或恒压充电功能。

2.1 恒流充电设计

恒流过程是锂电池充电电流流经取样电阻R9后，经过分压电阻R10和R25加到KA7500B的1脚的反馈电压和2脚设定的基准电压比较，控制KA7500B的11脚PWM脉宽。

当检测到电池电压小于3V时，以I=100mA方式涓流充电，根据图2器件参数由式1计算可知，KA7500B的2脚的基准电压应设为0.18V;当检测到电压介于3V至4.2V时，以恒流I=1 000mA方式充电，v2应设为1.8V。v2由STC12C5A60S2的P1.4口产生PWM 信号经过R34，C12及R33，C11构成的D/A转换电路产生。

2.2 恒压充电设计

恒压过程是锂电池的实时电压经分压电阻R2和R4采样后加到KA7500B的16脚和15脚设定的基准电压比较，控制KA7500B的11脚输出PWM脉宽。

当检测锂电池电压达到4.2V时，以恒压4.2V对锂电池充电，根据图2器件参数由式(2)计算可知，KA7500B的15脚的基准电压应设为2.6V。v2由STC12C5A60S2的P1.3口产生PWM 信号经过R31，C9及R32，C10构成的D/A转换电路产生。

2.3 电压、电流检测电路设计

锂电池两端的实时电压由图2中的AD1端口连接至STC12C5A60S2的P1.7口，经内部A/D转换后，STC12C5A60S2采集到锂电池实时电压值。在系统测试过程中发现，锂电池取下后，STC12C5A60S2仍能检测到AD1端有大于0.2V残留电压，会造成误判，所以，利用1MΩ的电阻R28放电，可以缩短时间差。电阻R1及电容C4起滤波的作用，防止采样点电压的波动。

锂电池充电电流采样是采样小阻值电阻R9上的电压降VR9。充电过程中，由于压降VR9很小，设计LM358构成的差分放大电路对VR9放大，设放大后的电压为VI，VI和VR9满足式(3)。

根据图2器件参数由式(3)计算可知，VI将VR9放大了100倍，VI通过AD0经过由R20和C5组成的RC滤波电路送给STC12C5A60S2的P1.6口，经内部A/D转换后。STC12C5A60S2采集到锂电池的实时充电电流值。

2.4 电池保护电路设计

为了防止系统对锂电池过充，设计继电器开关电路。图2中，STC12C5A60S2的P2.2口控制三极管Q2饱和导通和截止，可以实现充电开启和断开的功能，Q2带载功率有限，需配置继电器SPDT扩流，还可以扩充触点的数量。二极管D7反向接在继电器的线圈两端，是保护继电器不受反峰电压的冲击，对继电器起到保护作用。

3 软件设计

为了提高编程效率及增强程序可读性，软件部分利用C语言编写，采用模块化设计，主要包括STC12C5A60S2单片机时钟，ADC设置，定时器产生PWM波模块，电池电流、电压检测模块[4]。具体流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

4 实验测试结果

普通手机锂电池标称额定电压3.7V是平均值，实际上锂电池满电电压为4.2V，当使用到3.4V以下后，手机出于保护功能自动关机，所以，锂电池最低电压一般不会低于3.4V。设计作品利用UTime G7智能手机的锂电池检测其性能，该锂电池标称容量1 400MA，额定电压3.7V，限制电压4.2V。在不同时间点记录实时电压、充电电流。验证该设计在3.4V至4.2V阶段精度，检测充电过程是否符合标准[4]，测试结果见表1。

表1 手机锂电池充电测试结果

5 结论

采用STC12C5A60S2单片机结合KA7500B芯片设计构成的BUCK型智能锂电池充电器，在3.7V至4.2V区间内对手机锂电池进行1 000mA充电测试，实测充电电流精度离预设1 000mA约有0.5%的误差。产生的原因主要是由于模拟器件R34，C12及R33，C11构成的D/A转换电路精度不易控制，此外，充电过程还受到温度环境影响，但由表1可以看出充电速度比普通手机充电器快1h左右。

[1]马爱华，张晓冬，张伟.基于AVR的锂电池智能充电器的设计与实现[J].微计算机信息，2009，25(5):72－73.

[2]应建华，陈建兴，唐仙，等.锂电池充电器中恒流恒压控制电路的设计[J].微电子学，2008，38(3):445－448.

[3]江超，闻长远，王雨曦.一种基于 TL494 BOOST型DC－DC电源设计[J].通信电源技术，2009，26(4):39－41.

[4]李冶，陈赫，汪东洋，等.智能锂电池充电器设计[J].吉林大学学报，2012，30(3):256 －259.