智能充电器设计

由于镍氢电池具有功率密度高、可快速充放电、循环寿命长以及无记忆效应、无污染、可免维护等优点，在便携式电子产品中的应用越来越广泛。如何合理的对镍氢电池进行充电管理是目前电池领域中研究的热门课题。基于这样的背景下我们设计开发了快速智能充电器。

本智能充电器可以同时对1～4节镍氢电池进行充电管理，并根据待充电电池的电压和温度情况，进行合理的充电电流设置。

图1 充电器系统框图

系统结构如图1所示。

硬件设计

1 单片机选择

SH69P48 是一种先进的CMOS 4位单片机。它具有以下特性: 4K 双字节OTP ROM, 253 个半字节RAM空间, 8位定时/计数器, 10位A/D转换器, 8+2位高速PWM 信号输出, 内建振荡器时钟电路, 内建看门狗定时器, 低电压复位功能且支持省电方式以节约电能。10位A/D转换器可以使得Delta-V的检测精度达到

2mV/cell；利用单片机自带的PWM端口结合TL494控制充电电流；用8位定时/计数器进行0.5s定时，在出现坏电池时，LED进行1Hz闪烁指示。系统时钟采用单片机内部的4MHz的RC时钟，降低系统的成本，但由于RC时钟的偏差会比较大，所以0.5s定时会存在误差。内建看门狗定时器可用软件控制以加强单片机的抗干扰能力。在软件出现问题时，可以对单片机进行复位，重新执行程序，防止程序死锁现象的发生。

2 单片机脚位安排

根据功能的要求，对单片机的管脚安排如表2。

3 PWM技术控制充电电流

因单片机的工作频率为4MHz，单片机自带的PWM可以达到的最大频率为15.625 kHz，无法满足对充电电流的控制精度，所以采用了外部硬件PWM与单片机 PWM 进行结合处理的方法。外部PWM控制芯片选择TL494，其PWM频率可以达到200 kHz 以上，对充电的电池可以进行恒流和限压处理。设计时用外部PWM芯片控制充电电流的精度，用单片机自带的PWM去控制TL494电流比较器输入端口上的电压，从而控制总充电电流的大小。

图2 低通滤波原理

图2是低通滤波电路拓扑。其中，V

o(t)

是经低通平滑后的输出电压，加到外部PWM

的电流控制比较器上。Voh是单片机输出逻辑“1”对应的高电平电压。V

oh 与V

o(t)

的关系是由如公式(1)确定的。

显然，输出电压V

o(t)

与PWM输出的占空比t成指数关系，T为RC低通时间常数。

当T≥5RC时，V

o(t)就近似等于V

oh

，此时控制的充电电流最大。合理选择t的数

值，就可以设定多种充电电流。

4 硬件抗干扰技术

在单片机的V

和GND之间接10μf的铝电解电容和0.1μf的瓷片电容，可以ref

很好的消除Vref电压上的纹波，保证Vref的电压在2.0V上稳定可靠，对提高Delta-V的检测精度是非常重要的。

在PORTA.1 4路电池的电压检测AD端口要加5.1V TVS瞬变电压抑制管。对该端口进行保护处理，确保加到本端口上的电压不要超过5.5V以上。

在所用的AD输入端口都要加一个低通滤波网络，该滤波网络的R取10kΩ以下，C取0.01～0.1μf之间的任何数值均可。

开启单片机内部的watchdog定时器，防止单片机因干扰或程序运行异常而产生的运行错误，保护外围电路不被损坏。

充电结束技术

本智能充电器集成了4种充电结束技术：Delta-V技术、Delta-T技术、最大充电时间技术和最大温度保护技术。本文主要介绍Delta-V和Delta-T的处理方法。

图3 delta-v曲线

1 Delta-V

由于电池电压的负增量与电池的绝对电压关系不大，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池已充足。

程序每隔1s将对每个电池的电压进行采样，用该采样值作为电池状态判断的依据。在充电状态正常且充电没有结束时，每隔18s对电池进行多次采样，经过数

字滤波技术处理后，作为Delta-V处理的电压依据，若电池的电压下降2mV时，充电结束。

镍氢电池的充电曲线如图3所示。

2 Delta-T/Delta-t

镍氢电池充足电后，电池温度迅速上升，温度上升变化率用Delta-T/Delta-t

衡量，通常认为当Delta-T/Delta-t大于1℃/min时，应立即终止快速充电。由于NTC的电阻与温度之间是非线性关系，所以在单片机的rom区建立30～60℃范围内的温度值与温度检测端口电压之间的关系表格，利用线性插值法查表实现Delta-T的检测处理。

图4 delta-T/delta曲线

软件设计

软件是整个智能快速充电器的核心，主要完成充电时间定时、LED显示处理、电池状态检测、4种充电结束技术、通道选择等工作。其中软件的核心部分是软件抗干扰的设计处理。没有好的软件抗干扰处理方法就可能出现以下不良问题。

A 电池充电不足

B 充电状态指示错误

C 程序运行混乱。

采用的软件抗干扰措施如下。

1 watchdog定时器

watchdog是一种软硬件结合的抗干扰技术，当程序正常运行时，每隔一段时间对watchdog定时器进行一次清零，不要让watchdog发生溢出。具体清零时间的选择是由程序的循环运行时间和watchdog定时器的定时时间决定的，一般清零时间要小于watchdog定时时间的1/3。

2 数字滤波技术

在读去电池电压时，采用了中位值平均滤波法，又称防脉冲干扰平均滤波法，相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法。该方法就是对被测参数进行多组采样，采样的组数选择一般是取2的M次幂，然后把2的M次幂的和进行算术平均后作为本次采样值。对每一组数据用中位值平均滤波法进行处理，即对被测参数进行连续采样N次（N是必须为奇数），然后把N次采样值进行大小冒泡排序，取中间值作为本组采样值。中位值平均滤波法可有效克服因偶然因素引起的波动干扰，尤其是对在某一数值范围附近上下波动的随机干扰信号具有很好的滤波作用。因电池在充电过程中的电压信号就具有这样的特点，经合理选择M和N的数值很好解决了Delta-V的精度问题。

本智能充电器经测试评价，充电保护措施可靠，充电状态准确，充电效率可以达到92％以上。