基于单片机的锂电池充放电电路设计探讨

2017-04-13南京林业大学淮安校区电工电子实验中心徐文隽

电子世界 2017年22期

关键词：锂电池单片机电源

南京林业大学淮安校区电工电子实验中心徐文隽

南京林业大学淮安校区物理实验中心王芳

基于单片机的锂电池充放电电路设计探讨

南京林业大学淮安校区电工电子实验中心徐文隽

南京林业大学淮安校区物理实验中心王芳

随着科学技术的不断完善和发展，移动智能产品的功能日益多元化，其使用越来越频繁，各类数码产品的锂电池不能满足用户的需求，移动电源在人们的生活中得到广泛的应用。移动电源的储能单元一般都是锂电池，本文通过分析锂电池的主要工作愿和能力，分析其充电和放电的主要特征，完善锂电池充电和放电的设计，并且提出了具体的设计方案，提升移动电源的实用性。

锂电池；移动电源；充电；放电

随着移动互联网的不断发展，智能终端得到普及，可携带式的移动电子产品得到人们的青睐。智能手机、平板电脑等设备都需要采用锂电池供电，但是人们对这些电子产品非常依赖，常常出现电力不足的情况。现在各类数码产品的功能非常完善，而且使用也非常频繁，完善电子产品的锂电池的性能显得非常关键。为了确保外出时电子产品可以保持充足的电量，很多用户都会采用移动电源给电子产品充电。移动电源中由锂电池供电，其在平板电脑、数码相机中也得到了应用。移动电源技术突破了固定电源的局限性，在锂电池发展中也是一项突破。本文结合单片机技术，分析锂电池充电和放电的设计。

1 充电和放电电路系统结构及锂电池的优势

1.1 充电和放电电路系统结构

移动电源俗称充电宝，其中有锂电池作为储能电源，借助升压和降压的方式，对电力进行释放和保存，结合了储存电能和提供电能的功能，其体积比较小，携带非常方便，可以给各类数码产品随时充电。充电和放电系统主要是由控制电路、升压电路和充电管理电路等构成。升压电路主要起到输出断路和保护电路的效果，移动电源的锂电池主要起到充电、放电和保护电路的效果，系统供电管理电路主要起到电量的检测效果。

充电系统的质量受到充电电池的材料、体积和容量等影响。由于锂电池与其他类型的电池比较而言，其质量比较小，而且体积不大，放电量不大，可以进行快速的充电，在各类智能设备的充电中得到广泛的应用。与液态的电池相比较而言，移动电源中的锂电池充分的采用固体聚合物，电池的形状非常薄，而且形状可以发生变化，体积也能得到缩小，其能量密度非常大，在相同的体积下，锂聚合物电池的重量更小。所以，在电子产品中的移动电源中，一般都是采用锂聚合物电池。

在移动电源中使用的锂电池对电压提出了非常精确的要求，一般电压控制在4.5V以内，其电压非常低，在低电压的情况下，锂电池在为各类数码产品充电的环节中，需要借助升压控制电路，在移动电源的电力向外界输出时，应该先提升其电压。在移动电源中常用的是锂聚合物电池，在储能完成后，应该及时补充电量，在锂电池的电路中，应该确保设计了充电控制电路。在移动电源的核心技术中，在给手机充电的环节中，应该分析放电的电路和电压的曲线是否是平滑的，如果曲线不是平滑的，其就会对充电设备产生破坏，所以，在充电和放电的环节中，要完善电路的保护设计，防止电路输出不稳定，对智能设备产生损坏，而且也会影响移动电源的质量。

移动电源是化学电池设计的产物，在使用中，电池的容量、寿命和安全性对其产生直接的影响。在锂电池广泛应用的今天，移动电源也得到了人们的青睐。在很多移动电源的生产厂家中，他们对移动电源的性能都有明确的要求，移动电源具有较好的限流保护的效果，而且可以防止电流发生短路情况，完成反充保护线路的设计。在自动充电和快速充电中可以得到完善，而且在电量充满后，可以实现自动化的断电。在移动电源上还涉及了LED灯，对充电的状态进行展现，并且实现了低噪声的充电方式，可以模拟微电脑的控制。在移动电源的生产中，如果要采用锂电池，那么要保证充电的环节中保持恒定电流和恒定电压，从而确保电池的容量可以得到有效的利用。在进行锂电池充电的环节中，将其放置到最大的电压中，如果出现过充的情况，就会对电池产生损坏。而且如果电压非常低，要采用预充的方式，在充电终止时要进行相应的检测，还可以采用其他的方式，对电池的温度检测，完善电池的附加保护。

如今，在进行移动电源的设计中，实现了电池的充电功能，LED显示电量的功能，保护机制，当移动电源在充电中，电池的温度超过一定的数值，就会停止充电，或者电压出现异常情况后，指示灯会呈现红色。在过流和过压的情况下，移动电源都能得到保护。在针对异常情况进行处理中，可以确保快速的恢复充电。

1.2 锂电池的优势

其一，锂电池的能量密度非常高，在使用中，其体积能量密度和质量能量密度都能得到保障，而且随着锂电池的不断研发，其能量密度还在不断的提升。

其二，其工作电压可以得到保障，在单节锂电池放电的环节中，其电压可以达到3.7V，其在3V的电路中也能正常的供电。如果电子设备的电压比较高，可以将电池串联在一起使用，串联的电池数量会大大的减少。

其三，锂电池的自放电非常小，通常在10%以下，这是普通的镍电池不能达到的。

其四，锂电池实现了快速的充电和放电功能，每次充电一个小时就能充80%的电量，锂电池的负极是采用碳电极构成，其可以代替普通的金属离子，其可以实现快速的充电。在比较危急的情况下，锂电池可以在两个小时内将电量充满，其安全性可以得到保障。

其五，锂电池的寿命非常长，锂电池的负极采用的是碳负极，所以在充电和放电的环节中，在负极处不能有金属锂产生，从而可以防止电池在充电的环节中出现短路的情况。锂电池可以使用1000次以上。

其六，锂电池在不同的温度范围下都能使用，锂电池实现了低温放电的能量，其在-20摄氏度的低温环境下能使用，在60摄氏度的高温条件下也能使用。其高温放电性能是其他类型的电池不能达到的。

其七，锂电池的体积小，而且输出的功率非常大，不会产生严重的污染。其综合性能要比镍镉等电池好。

2 硬件电路设计

在进行移动电源硬件电路设计的环节中，应该采用低能耗的单片机的方式，单片机的成本比较低，而且不会有太多的引脚，在小型的家电中也得到了广泛的使用。在进行温度的测量和高端智能充电器的使用中，得到广泛的应用。在本次的设计中，结合充电器、稳压器等实现了移动电源充电和放电的保护工作。

2.1 单片机控制电路

在进行单片机的控制电路设计中，一般是采用高速度，低能耗的设计方式，单片机具有8位高性能精简指令，内部采用一次性编程的方式，采用数据寄存器的方式，计数器也采用8位的。在系统中采用多个时钟，工作模式主要有四种，信道有15个，莫属转化器采用十二位的，中断源有五个。在设计中，移动电源的控制系统运用单片机实现。

控制电路的主要作用在于实现对电压的收集，对充电和放电的状态进行控制，对电量进行指示。单片机的复位端口处的开关直接控制整个系统的工作。发光二极管主要对充电和放电时的电量进行展示。在充电器的芯片中可以及时的放出信号，对锂电池的充电情况进行判断。如果是处于高电平的状态下，就说明锂电池处于充电的状态，如果是在低电平的状态下，说明锂电池没有在充电的状态中。由于锂电池自身的电压并不是特别的稳定，其变化的范围比较大，所以在对其模拟输出量进行分析中，应该采用串联电阻分压的方式，控制好模拟量的变化范围。在充电检测端口处，应该完善放电检测端口的设计。端口一般是放电检测端口，采用降压型的稳压器，可以在一定程度上延长电池的使用年限，防止电池在充电和放电的环节中出现电压不稳定的情况，从而确保供电的稳定性。单片机在对电路进行控制的环节中，可以结合低压差大流稳压器的方式。

2.2 系统供电管理电路

在本次的研究中，采用系统供电的方式，运用线性充电器的方式，其可以确保电流和电压处于恒定的状态。在电压和电流保持恒定的状态下就能保障锂电池实现线性充电。为了完善散热的效果，在系统下部都安装了散热片，为了确保芯片的正常使用，也可以设计USB接口的方式，结合适配器电源。在内部设计了防止倒充的电路，所以不需要采用隔离二极管的方式。

在移动电源正在使用的环节中，采用高脚电平，芯片的使用状态非常好，在引脚为充电电路大小，实现对引脚的控制，在接受一定的电阻后，在充电的时候可以保持恒定的电流和电压，电压可以控制在1V，在电流通过引脚后，电流的数值也是恒定的。在引脚向锂电池提供电流后，内部设计了精确的电阻分压器，从而完善电压的恒定性。在整个充电过程，实现了智能化的监控，在锂电池充电的环节中，完善了预充、电流恒定和电压恒定的功能。

2.3 充放电保护电路

在锂电池的使用中，要设计好专门使用的芯片，从而可以防止锂电池出现过度充电的情况，电流过大会导致锂电池的使用年限的缩短，甚至会出现电池被损坏的情况。提升电压检测的精度，完善延迟的功能。在完善充电和放电保护电路后，可以确保导通电阻的的降低，提升锂电池的性价比。在电池保护和低压开关电路的使用情况中，可以完善锂电池过流保护的效果，在进行引脚的设计中，可以设计放电控制引脚，在对电压进行检测的环节中，应该有效的控制放电，当电压提升后，再恢复正常的放电。在充电控制引脚的设计环节中，在对电压监测中，如果电压比较高，应该分析锂电池是否出现了过充的情况，在电压降低后可以进行继续充电。在这项设计中，可以有效的防治锂电池过度的放电和过度充电的情况，防止对锂电池的寿命产生影响。