基于STM32和LT3796的通用充電器設(shè)計(jì)

楊海慶

摘 要：為了拓展便攜設(shè)備的作業(yè)半徑，能夠給不同規(guī)格可充電電池充電并且外形尺寸小巧的充電器越來(lái)越被需要，本設(shè)計(jì)能夠給18650鋰離子電池進(jìn)行充電;同時(shí)可兼容5號(hào)鎳氫電池和7號(hào)鎳氫電池。采用STM32單片機(jī)和LT3796 DC/DC 控制器設(shè)計(jì)的一款通用充電器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三種電池的識(shí)別，并對(duì)1～4節(jié)電池進(jìn)行快速和標(biāo)準(zhǔn)充電，電路所需元件較少，能夠滿足產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：通用充電器; STM32單片機(jī);LT3796 DC/DC 控制器;充電控制

0 引言

在目前許多領(lǐng)域，如森林、消防、野外作業(yè)等，使用的便攜式設(shè)備種類繁多，這些便攜設(shè)備的能源供應(yīng)是各種規(guī)格的可充電電池，比較普遍的電池有18650鋰離子電池、5號(hào)鎳氫電池和7號(hào)鎳氫電池。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種通用充電器，能兼容三種規(guī)格電池，四個(gè)通道，能夠識(shí)別電池種類，并根據(jù)不同規(guī)格的電池特性進(jìn)行正常充電和快速充電;每個(gè)通道具有狀態(tài)指示燈，能通過(guò)顏色變化對(duì)充電狀態(tài)、充電結(jié)束狀態(tài)、電池檢測(cè)結(jié)果作出相應(yīng)指示;每個(gè)通道輸出具有短路保護(hù)、反接保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能。

1 設(shè)計(jì)原理

通用充電器的設(shè)計(jì)要滿足不同規(guī)格的電池其不同的充電性能。18650鋰離子電池，標(biāo)準(zhǔn)的充電過(guò)程是以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.2V時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為4.2V，此時(shí)充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。5號(hào)鎳氫電池和7號(hào)鎳氫電池，標(biāo)準(zhǔn)的充電過(guò)程是以設(shè)定的電流進(jìn)行恒流充電，限定的時(shí)間到或充電到后期電池電壓下降到最高點(diǎn)以下5mV時(shí)，充電結(jié)束。

通用充電器接通電源，四個(gè)通道指示燈根據(jù)電路檢測(cè)判斷各通道狀態(tài)并給出對(duì)應(yīng)指示。

當(dāng)電路識(shí)別到是18650鋰離子電池時(shí)（其容量為3Ah），并且是未充滿狀態(tài)，控制電路對(duì)電池提供650mA標(biāo)準(zhǔn)充電電流，如果判斷快充按鍵按下，提供1200mA快充電流;當(dāng)檢測(cè)到電池電壓升至4.2V時(shí)，充電方式改為4.2V恒壓充電，直至充電電流低于設(shè)定充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束，自動(dòng)斷開(kāi)充電回路，通道指示燈顯示充滿狀態(tài)。

當(dāng)電路識(shí)別到是5號(hào)規(guī)格鎳氫電池（其容量為1.8Ah）或是7號(hào)規(guī)格鎳氫電池（其容量為0.8Ah），并且是未充滿狀態(tài)，控制電路對(duì)電池提供400mA標(biāo)準(zhǔn)充電電流，如果判斷快充按鍵按下，提供850mA快充電流;當(dāng)電路判斷相應(yīng)電池的充電限制時(shí)間到或判斷相應(yīng)電池電壓下降到最高點(diǎn)以下5mV時(shí)，充電結(jié)束，自動(dòng)斷開(kāi)充電回路，通道指示燈顯示充滿狀態(tài)。

2電路設(shè)計(jì)

2.1 通用充電器組成

通用充電器由電源適配器、直流電纜、主機(jī)組成。

考慮到通用充電器電源的來(lái)源可能是市電，也可能是交通設(shè)備等，電源適配器為AC220V轉(zhuǎn)DC24V，通過(guò)直流電纜與主機(jī)連接;直流電纜接口考慮可以連接適配器，也兼容DC24V蓄電池等。通用充電器組成框圖見(jiàn)圖1。

2.2 通用充電器主機(jī)組成

通用充電器主機(jī)的電路設(shè)計(jì)需要與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)密聯(lián)系，其組成包括控制板、正極板、負(fù)極板、負(fù)極轉(zhuǎn)接板、顯示按鍵板、連接線束。

主控制板為通用充電器的核芯，通過(guò)正極板和負(fù)極轉(zhuǎn)接板識(shí)別電池種類，控制充電方式和充電過(guò)程，檢驗(yàn)電池的狀態(tài);通過(guò)顯示按鍵板顯示各通道電池所處狀態(tài)，判斷按鍵操作給出相應(yīng)的控制。

正極板設(shè)計(jì)四個(gè)電池正極接觸件，通過(guò)接插件與主控制板連接。

負(fù)極板設(shè)計(jì)四個(gè)電池負(fù)極接觸件，又通過(guò)兩個(gè)接觸件與負(fù)極轉(zhuǎn)接板連接，根據(jù)電池規(guī)格不同，負(fù)極板與負(fù)極轉(zhuǎn)接板連接的位置不同。設(shè)計(jì)了四個(gè)熱敏電阻檢測(cè)電池溫度。

負(fù)極轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)六個(gè)彈性接觸件，按照不同電池規(guī)格分成三排，負(fù)極板連接負(fù)極轉(zhuǎn)接板位置確定了電池種類。

顯示按鍵板設(shè)計(jì)了六個(gè)三色LED，其中四個(gè)LED為四個(gè)通道狀態(tài)顯示，兩個(gè)LED為按鍵狀態(tài)指示;設(shè)計(jì)了兩個(gè)按鍵，功能分別為快充按鍵和檢測(cè)按鍵。

通用充電器主機(jī)組成框圖見(jiàn)圖2。

2.3 主控制板電路設(shè)計(jì)

主控制板控制中心采用STM32單片機(jī)與LT3796 DC/DC 控制器相結(jié)合作為控制核心，包括單片機(jī)電路、四路充電電路、四路充電電流調(diào)節(jié)電路、四路電池電壓檢測(cè)電路、四路充電開(kāi)關(guān)電路、電源電路、接口電路，主控制板原理框圖如圖3所示。

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。增強(qiáng)型STM32F103系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。內(nèi)置256K的閃存;時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，最大功耗70mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品。芯片具備80路I/O通道，可靈活配置成16路12bit A/D采集通道，2路D/A接口等。

LT3796是一款DC/DC控制器，專為調(diào)節(jié)一個(gè)恒定電流或電壓而設(shè)計(jì)。該器件從一個(gè)內(nèi)部已調(diào)7.7V電源來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)低端外部N溝道功率MOSFET。固定頻率和電流模式架構(gòu)在一個(gè)很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作。其特點(diǎn)包括寬輸入電壓范圍（6V至100V）、高端PMOS斷接和PWM開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)、恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)、雙電流檢測(cè)放大器、用于電池和超級(jí)電容充電的C/10檢測(cè)、短路保護(hù)、可調(diào)頻率（100KHz至1MHz）等。

2.3.1 充電電路

充電電路是以LT3796為核心，配合較少的外部元件組成，充電方式采用先恒流充電后恒壓充電，電路圖見(jiàn)圖4。

恒流充電時(shí)，充電電流與N1（LT3796）的9腳CTRL電壓相關(guān)（CTRL電壓值VCTRL見(jiàn)充電電流調(diào)節(jié)電路）;充電電流的計(jì)算公式如下（其中：R5=0.2Ω）。

I=（VCTRL-100mV）/（R5*4）………………0.1V1V

I=250mV/R5………………VCTRL>1.2V

恒壓充電與N1的7腳FB1電壓（VFB1）有關(guān)，當(dāng)電池充電電壓達(dá)到4.2V時(shí)，VFB1>1.25V，充電進(jìn)入恒壓（4.2V）充電，VFB1計(jì)算公式如下（其中：BAT1為電池電壓）。

VFB1=BAT1*R16/（R16+R14+R15）

充電電流檢測(cè)可通過(guò)采樣N1的5腳電壓（VISMON）計(jì)算得到，計(jì)算公司如下。

VISMON=I*R5*4

N1的15腳（FAULT）為報(bào)警輸出，通過(guò)上拉電阻正常情況下輸出高電平，當(dāng)出現(xiàn)VFB1>1.3V、INTVcc欠壓、V（ISP-ISN）>375mV非正常情況是，此引腳輸出低電平。

2.3.2 充電電流調(diào)節(jié)電路

充電電流取決于LT3796的9腳VCTRL，VCTRL的大小由如圖5電路實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

VREF是LT3796的10腳一個(gè)基準(zhǔn)電壓2.015V輸出，PD8和PD9連接單片機(jī)STM32F103的兩個(gè)I/O，單片機(jī)根據(jù)識(shí)別的電池種類控制這兩個(gè)管腳輸出高電平或低電平，以控制MOS管V1和V2導(dǎo)通或截止，導(dǎo)致VCTRL的電壓值的分壓關(guān)系不同，得到的值便不同。VCTRL有四個(gè)值的變化，計(jì)算公式如下：

① VCTRL=VREF*R1/（R1+R7）;② VCTRL=VREF*R2/（R2+R7）;VCTRL=VREF*（R1//R2）/（（R1//R2）+R7）;VCTRL=2.015V。

2.3.3 電池電壓檢測(cè)電路

在充電過(guò)程中，電池電壓需要時(shí)刻檢測(cè)，圖6為電池電壓檢測(cè)電路。

考慮到電池連接時(shí)有可能的接反，或接入的電池已經(jīng)壞損為0等情況，電池電壓檢測(cè)接入一個(gè)4.8V的基準(zhǔn)電壓，單片機(jī)采樣電壓值能夠判斷電池是否接反或電池已經(jīng)壞損。單片機(jī)采樣到的電壓（V-BAT1）與電池電壓的計(jì)算關(guān)系如以下計(jì)算公式：

V-BAT=（電池電壓+4.8）/4

2.3.4 充電開(kāi)關(guān)電路

當(dāng)充電過(guò)程中發(fā)生充電故障、電池故障或充電結(jié)束后，需要將充電電路與電池?cái)嚅_(kāi)，圖7為充電開(kāi)關(guān)電路。

充電電路與電池隔開(kāi)選用雙MOS管，是應(yīng)為MOS管內(nèi)部一般集成了續(xù)流二極管，如果只有一個(gè)MOS管，充電電路會(huì)通過(guò)續(xù)流二極管與電池連通，所以采用雙MOS管反相串聯(lián)以解決這個(gè)問(wèn)題。為了不管電池電壓多少確保MOS管導(dǎo)通，在導(dǎo)通時(shí)G端接-5V。

3 結(jié)論

本文闡述一種基于STM32和LT3796的通用充電器設(shè)計(jì)，介紹了設(shè)計(jì)原理、各組成部分的功能及電路設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)中主要的電路具體設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的說(shuō)明。此通用充電器的樣機(jī)經(jīng)過(guò)測(cè)試，能夠自動(dòng)識(shí)別電池種類;正常充電和快速充電功能正常;具有短路保護(hù)功能、反接保護(hù)功能、過(guò)熱保護(hù)功能，各項(xiàng)功能均滿足設(shè)計(jì)要求。本通用充電器在設(shè)計(jì)中充分考慮到性價(jià)比和小型化等，具有成本不高、外形小巧等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] Xin （Shin）Qi.具有雙電流調(diào)節(jié)環(huán)路的LED控制器可檢測(cè)故障，LED并提供100：1的模擬調(diào)光[J].中國(guó)集成電路，2014（6）：81-84.

[2] 曹凱凌，譚玉婷.基于STM32單片機(jī)的寢室掃地機(jī)器人[J].電子制作，2018，（11）3-5.

[3] 蔣志林.STM32單片機(jī)的原理及硬件電路設(shè)計(jì)探討[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015（10）22.

[4] 張彥琴.鋰離子電池統(tǒng)一充電模型研究[J].電源技術(shù)，2015（2）283-284.

[5] 張瑞松，吳仲光，金麗娟，等.鎳氫電池管理系統(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013（8）123-124