基于PIC16F883的锂电池智能充电器设计

    随着全球工业化的进程，人类对能源的需求在不断增长，能源危机日益加剧。太阳能是资源最丰富的可再生能源，它分布广泛、可再生、不污染环境，是国际公认的理想替代能源。随着太阳能技术的发展，近年来超薄、超轻的光伏电池在便携式电子设备中的应用也得到了很大发展。

   内置锂离子电池的太阳能充电器摆脱了传统充电方式的束缚，节能与环保，具有良好的发展前景。本文的研究目标是设计一个基于单片机智能控制的，能够为手机、MP3、PDA等电子设备提供直充电源的太阳能充电器。

1 系统的总体结构

整个充电器主要包括太阳能电池、锂离子电池、充电电路、放电电路、控制电路5个组成部分。系统整体框图如图1所示。该充电电路是一个Buck变换器及其驱动，由它把太阳能电池发出的电能进行变换后对锂离子电池充电，Buck的驱动脉冲由单片机输出，并由单片机控制其工作。

放电电路是一个有关闭模式的集成Boost变换器，它将锂离子电池的端电压进行升压，使充电器输出的电压适合于给手机、MP3等电子产品充电。控制电路主要包括单片机及其外围电路、驱动电路、采样电路和供电电源。控制电路实现的功能是：单片机根据采样的充电电流信号，调节Buck变换器占空比以实现充电电流的控制，当没有充电电流输出时关闭Buck以减少电路损耗；根据采样的锂离子电池电压信号进行充电过程的控制，实现脉冲方式的充电，并进行过充保护，以及使能或关闭放电电路防止过放；根据采样的锂离子电池温度信号实现超温保护，当温度超出正常工作范围时，暂停充电。

2系统硬件电路设计

本文采用的锂离子电池充电方法包括预充电、快速充电、脉冲充电三个阶段。当锂离子电池端电压低于3 V时，先对其进行预充电处理。当锂离子电池端电压≥3 v时，可直接进人快速充电阶段。当锂离子电池端电压达到4.2 V时，进入脉冲充电阶段，在此阶段间歇关闭充电电路使电池电压保持在4.2 V左右。锂离子电池的放电电压区间设为3.3～4.2 V，当电池端电压低至3.3 V时关闭放电电路，防止过放电。

充电主回路如图2所示，包括太阳能电池、屏蔽二极管、Buck变换器和锂离子电池。

Buck变换器设计的关键是确保"磁路"不会饱和，因此电感应该在最不利工作条件下设计，即电感电流最大。对于Buck变换器，电感平均电流总是等于负载电流J。，因此它的最恶劣情况还要考虑输入电压最高的情况，此时电感电流的峰值最大。对本设计来说，最不利条件发生在变换器输人功率最大，锂离子电池端电压最小，此时输出负载电流最大。可得电感量L：

放电电路的输人电压为锂离子电池的端电压，其工作范围从3.3 V～4.2 V，为保护锂离子电池，当电压低至3.3 V时，关闭放电回路。放电电路的输出为手机、PDA等设备提供5 V～5.5 V的直充电源，因此放电电路需要用一个Boost变换器，选择LINEAR公司的集成Boost变换器LTC3402，如图3所示。放电电路稳压输出为5.3 V／500 mA。电路有两种关闭模式。第一种模式由手动控制开关S。当充电器需要输出电源为手机等设备充电时，闭合S；当充电完毕后，断开S，防止放电电路继续消耗功率。第二种模式由单片机自动控制。单片机对锂离子电池的端电压进行采样，经过内部比较器比较后输出高电平或低电平。当电压在3.3～4.2 V之间时，PICl6F883单片机的6脚输出高电平，Boost电路正常工作。当电压小于3.3 V时，6脚输出低电平，关闭Boost电路，防止电池继续放电。同时给出电池缺电指示灯，等待手动切断S，开关。

PICl6F883是Microchip公司于2006年推出的PICl6F88X系列单片机中的一个型号。PICl6F883单片机不仅集成了本电路所需要的PWM脉冲调制模块、A／D转换模块、模拟比较器，而且芯片设计采用纳瓦技术，具有非常良好的低功耗特性，待机电流低至50 nA。另外它还有多个可将单片机从休眠模式下唤醒的中断源，进一步减少了功耗，非常适合电池供电系统的使用。其引脚功能如图4所示。

在数字控制电路中，必须将模拟信号转换为单片机可以处理的数字信号，通常由A/D转换器(简称ADC)来实现。PICl6F883单片机内部集成了11通道10位分辨率的A/D转换器，因此不需要外接A/D转换芯片。

(1)电流采样电路设计

采样电流的主要作用是为了实现锂离子电池充电电流最大，因此采样电阻R，。串联在电池充电回路中，采样电阻上的压降与充电电流的大小成正比。采样电、路如图5所示。

(2)电压采样电路设计

电压采样电路对锂离子电池的电压进行采样，采样电压是充放电控制的依