超级手机充电器的设计研究

陈恩达，葛智锋，程龙易，李嘉午，李翠梅

（江西科技师范大学，江西南昌，330038）

多数电器长时间在一起运行时，使用劣质充电器就会增加电路短路，造成爆炸起火的风险。并且，充电器与手机长时间接入电网不仅会造成电力的浪费，而且会加速手机电池与充电器电路的老化，造成意外触电甚至爆炸起火等事故。本研究就是设计制作一款充电器，它跟普通的充电器不同，通过单片机的控制，该充电器能在安全电压的范围内实现可控的特性[1]。具体表现为可实现涓流充电、恒流充电、恒压充电以及自动跟踪最大功率等功能，大大提高了充电器的安全性和充电效率。

1 系统设计思路

使用STM32单片机作为充电器的核心控制器，对快充电路的充电进程进行监控控制，并能够将实时的充电电压数据、电流数据呈现在显示屏上，通过可视化的设计，让使用者能清晰地看到充电的过程，然后可以通过按键对恒流充电、恒压充电以及自动跟踪最大功率功能进行选择，能让充电器始终处于最高效的工作状态。当充到手机电池最大承受的电压时，会自动转为涓流充电，此时，充电器手机电池电压不再升高，手机电池上的功率几乎为0，从而可以很好地保护手机电池，手机电池不仅不易老化，还能避免发生手机电池爆炸等事故，非常节能安全。

2 系统硬件设计

在本系统中，硬件电路的设计是以单片机为核心，由DC-DC电压变换器部分、电流采集部分、恒流控制器、恒压控制器四个部分组成。利用STM32单片机A/D 转换和D/A 转换功能对充电电压电流进行监控调节，并利用按键对充电功能进行选择。

2.1 处理芯片

本系统所用的STM32系列单片机[2]，由意法半导体公司专门设计的使用ARM Cortex-MX内核的32bit系列的单片机。STM32单片机具有多个独立ADC，每个ADC提供最多16个外部通道，ADC的模式非常多，功能非常强大，能够精准监控电路情况；STM32单片机内部集成的液晶控制器，以及自带多种多样的通信接口，如8080/SPI/I2C等接口，能够更好地驱动OLED显示屏等外设，让充电器的显示和控制更加多样化。在本设计中选择使用STM32系列单片机中的高性能产品STM32F407VET6作为系统的主控芯片。F4系列的STM32单片机，拥有更高的主频，更大的闪存容量，更多的定时器，支持更多的中断与外设，可以帮助本设计实现更多更复杂的操作。

2.2 电路设计

在本设计中，需要对手机电池进行稳定快速安全的充电[3]，并实现超级手机充电器有特色的最大功率追踪充电，设计了能够与单片机有机结合起来的硬件电路，主要由充电电路DC-DC电压变换器部分、电流采集部分、恒流控制器和恒压控制器四个部分组成，如图1所示。

图1 DC-DC变换电路

图2 电流采集电路

DC-DC变换器是将输入电压转变为额定电压再输出的电压转换器，将家用220V的高压交流电压转化成手机电池可以接受的安全的低压直流电，DC-DC电源模块运用广泛，是充电器的重要组成部分。

电流采集电路是以电流采集器INA282为中心进行功能设计的，通过电流采集电路能准确地得到当前电路的实时充电电流。INA282芯片是具有较高精度的输出电流并连接控制电路，它检测电流方式是从OUT端流出的电流经过电阻会产生一个差分电压，INA282会把这个差分电压放大50倍输出，STM32单片机通过采集这个电压可以计算得到电流的值，也可以通过运放控制电流。INA282可以在+2.7V～+18V电压下运行，较低供电电压便于与STM32单片机进行驱动和读取。INA282能在-40℃～+125℃的额定温度下运行并采用小外形尺寸集成电路(SOIC)-8封装，宽泛地使用环境和高集成度封装给电路带来更多工作稳定性和移动便携性。

恒流控制器、恒压控制器是实现恒流充电、恒压充电，以及自动跟踪最大功率等功能的重要部件，主要核心是运算放大器LMV358。LMV358则是低电压运放，它的最高工作电压和最低工作电压都比常见的LM358要低，LMV358适合用于低功耗场合，且具有轨至轨输出特性，让充电器更节能更稳定。恒流控制器、恒压控制器的前级是由运算放大器与电阻组成的采集跟随器，顾名思义就是输入电压与输出电压相等，特点是输入阻抗接近无穷大，而输出阻抗又很小接近为0，在跟随缓冲器后面接上负载，可以让负载保证获得较大电压，且在电路设计过程中具有隔离电路的作用，即使得前、后级电路之间互不影响。数个LMV358及其附属电路构成的跟随器能够将STM32单片机输出的DAC信号跟随之后输出增强STM32的驱动能力。为了提高充电的稳定性通过电路构成一个PI控制器，用小电容跨接在输入和输出，利用密勒效应可以用小电容起到大补偿，减少环路的振荡。恒流控制器，恒压控制器能够接受来自STM32的控制信号，从而稳定控制充电过程中的电压和电流，以实现多种充电功能，恒压、恒流控制电路如图3所示。

图3 恒压、恒流控制电路

3 系统软件设计

软件设计主要是STM32单片机的程序设计，分为两个部分：一个是功能实现程序，负责实现恒流充电、恒压充电，以及自动跟踪最大功率等功能；一个是驱动外设的软件，它驱动OLED芯片显示数据，还驱动外部按键以实现对功能的选择控制。

3.1 功能实现软件程序的设计

软件设计环境是覆盖了STM32全系列的图形化配置软件平台STM32CubeMX 和完美支持Cortex-MX系列芯片的单片机开发工具keil MDK5，使用的程序设计语言是C语言。在软件中通过开启STM32单片机自带的ADC进行数据的采集，得到实时的充电电压、电流值等信息，并对数据进行记录、更新。将不同时刻的电压电流信息进行对比，就能实现对充电电压、电流的控制。

自动跟踪最大功率功能的设计中，依据源线性电阻单口网络向可变电阻负载传输最大功率的条件是：负载电阻与单口网络的输出电阻相等。通过控制电压和电流，来控制等效电阻，只要实现负载电阻等于电源内阻，就能让负载电池得到充电的最大输出功率。要做到跟踪最大功率，必须跟踪输入到DC-DC的电压和电流，这里要用软件去控制，实际上就是寻找Pi这个导数为0的凸点。可以用程序控制两侧非最高功率点，步进向中间最高功率点Pi逼近。可以先在电路启动的时候设置充电输出电流为0，然后略微扰动提高一点电流值，比如0.1A，那么可以采集到两组电压电流，上一时刻的V(k-1)和这一时刻的V(k)，上一时刻的I(k-1)和这一时刻的I(k)，进而可以计算出 P(k)和P(k-1)，可以通过增大或者减小输出电压，进而控制充电电流，进而控制跟踪稳定到最大功率点，最大功率跟踪控制框图如图4所示。

图4 最大功率跟踪控制框图

这里通过三层比较判定程序实现最大功率的自动追踪。

（1）当前时刻采集到的功率值和前一刻采集到的功率值一样大，则电压比较值不变；

（2）若功率变化处在上升阶段，当前时刻采集到的功率值比前一刻采集到的功率值大，并且当前时刻采集到的电压值比前一时刻采集到的电压值大，则电压比较值增加，否则电压比较值减小；

（3）若功率变化处在下降阶段，当前时刻采集到的功率值比前一刻采集到的功率值小，并且当前时刻采集到的电压值比前一时刻采集到的电压值小，则电压比较值增加，否则电压比较值减小。

自动进行反复判定并由判定的结果决定输出步进的方向，以期达到稳定的最大功率输出。

恒流充电、恒压充电功能的设计主要依赖控制电路实现，程序负责监控实时电压电流，并将可由按键设定的恒定电压值、恒定电流值输入到恒流控制器、恒压控制器进行跟随控制，将PI控制器比例积分值设定在合理范围，才能使得充电器稳定输出。

涓流充电是由程序控制的一种充电特性，程序一直在监控当前时刻的电池充电电压，当充电器充到手机电池最大承受的电压时程序会进入选择判定，充电模式自动转为涓流充电，充电电流无限趋近于0，此时，手机电池电压不再升高，手机电池上的功率几乎为0，从而可以很好地保护手机电池，手机电池不仅不易老化，还能避免发生手机电池爆炸等事故，很好地兼顾了节能需求与安全需求。

3.2 外设驱动软件程序的设计

软件设计环境是覆盖了STM32全系列的图形化配置软件平台STM32CubeMX 和完美支持Cortex-MX系列芯片的单片机开发工具keil MDK5，使用的程序设计语言是C。在本设计中，充分利用了STM32系列单片机的高性能特性，从使用的直观性、实用性出发，添加了OLED屏幕显示，并且可以通过按键在屏幕上进行可视化操作。并且STM32的高拓展性还为本设计的未来增加了许多可能，目前设计中的外设主要有OLED屏幕和外置按键采用STM32单片机的I2C接口驱动外置OLED显示芯片，将来在外设方面还有很大拓展空间，

外部按键对程序的控制主要体现在通过开关切换各种充电模式，程序还预设了选择光标，以帮助使用者在显示屏上调整设定想要的恒定充电电压、电流，按键可对预设值进行加操作和减操作。当不处于恒压、恒流设定模式或无操作时，加减按键可休眠，不影响其他操作。整个按键操作逻辑构建符合一般人的直觉性，屏幕显示操作具有直观性，使用体验极易上手，充电过程清晰明了。

4 电路测试

硬件制作完成后，将软件烧入单片机中，经过调试，功率P（2W）显示在OLED屏幕最上端，中间显示预设的恒定充电电压SV（4.2V）、充电电流SI（0.1I），在下方显示实时的充电电压V（3.7V）、充电电流I（0.07I），测试数据达到了预定要求，如图5所示。

图5 OLED屏幕显示

5 结束语

为解决传统手机充电器痛点问题，本文提出了一种手机充电器设计方法，它可以不受多种家电设备的束缚（多种家电一起充电），进行自动跟踪最大功率充电，相较于普通充电器拥有更高效率；充满电自动切换为涓流充电，兼顾了节能需求与安全需求；并满足使用者多种场景使用的需要，具有可调节的恒压充电模式和可调节的恒流充电模式，能更多地满足各类人群的需求。单片机控制下的数据可视化，通过设计，让使用者能清晰地看到充电的过程。可控可视的按键调节设计优化了用户使用体验，体现了让科技创新更加人性化的设计理念。