基于SPCE061A的智能型充電器

1 充電電源方案論證與選擇
    充電電源的主要部分是恒流源和恒壓源，因此實現恒流輸出和恒壓輸出是設計的主要任務。
    方案一，采用充電芯片U2402B作為充電電源的核心部件。U2402B能夠實現對充電過程、充電電流、溫度的控制；再加上單片機的控制，能夠很好地實現對電路的控制。通過外圍電路的設置可以實現輸出達到800 mA的電流，完全滿足題目的要求。它的集成度高，穩定性好。但所用芯片對電流與電壓的切換存在一定局限性，而且不能保證負載對電流的變化滿足題目的要求。
    方案二，采用恒流源與恒壓源切換的方式實現。恒壓源采用由LM7805和高精度運OP07構成的恒壓源，具有輸出穩定，紋波小的特點。脈沖調寬式(開關式)恒流源通過改變調整器的工作脈沖寬度達到恒流的目的。這種恒流源調整器工作在開關狀態，功率損耗小，效率高達70％～95％，但紋波電流大，輻射干擾強，恒流精度低。
    方案三，以SPCE061A單片機作為中樞控制系統，采用恒流源與恒壓源切換的方式實現。恒壓采用由LM7805和高精度運OP07構成的恒壓源，具有輸出穩定，波紋小的特點。恒流源由IRF640大功率場效應管和OP07組成，輸出恒流精度高，紋波小，負載對輸出電流的影響小。綜合考慮后決定采用此方案。

2 硬件電路設計
2．1 總體設計
    系統框圖如圖1所示。

    系統在SPCE061A控制下，完成對恒流充電、恒壓充電和溫度的檢測與控制，并用LCD顯示結果。
2．2 恒流源和恒壓源
2．2．1 壓控恒流源充電電路設計
    電路原理圖如圖2所示。該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應管Q1、采樣電阻R3、負載電阻RL等組成。

    電路中調整管采用大功率場效應管IRF640。采用場效應管易于實現電壓線性控制電流，既能滿足輸出電流100 mA和200 mA的要求，也能較好地實現電壓近似線性地控制電流。因為當場效應管工作于飽和區時，漏極電流Id近似為電壓Ugs控制的電流，即當Ud為常數時，滿足Id=f(Ugs)，只要Ugs不變，Id就不變。在此電路中，R3為取樣電阻，采用康銅絲繞制(阻值隨溫度的變化較小)，阻值為1 Ω。運放采用OP-07作為電壓跟隨器，Ui=UP=UN，場效應管Id=Is(柵極電流相對很小，可忽略不計)，所以Io=Is=UN／R2=Ui/R2。正因為Io=Ui／R2，電路輸入電壓Ui控制電流Io，即Io不隨RL的變化而變化，從而實現壓控恒流。
2．2．2 恒壓源充電電路設計
    恒壓源充電電路的設計電路如圖3所示。穩壓電路選用LM7805CT正輸出三端穩壓器，穩壓值的容差為±5％，電壓調整率其數值約為0．01％，滿足題目的要求。此電路通過調節R1來改變OP-07的輸出，從而動態控制輸出電壓，達到穩壓的效果。
2．3 數據采集電路
    為保證精度，A／D需要10位，SPCE061A有8個10位模／數轉換通道，其中7個通道用于將模擬量信號轉換為數字量信號，可直接通過端口(IOA[0～6])輸入。模擬輸入量取自恒流電路負載RL兩端的電壓值，當電壓值大于等于10 V時，單片機控制充電電路切換充電方式，由恒流充電方式轉變成恒壓充電方式。
2．4 顯示單元
    選用OCMJ4×8C中文液晶顯示器，能夠顯示充電模式(快充、慢充)、充電電流(單位為mA)、負載溫度(單位為℃)。增加了開機檢測模塊，檢測是否接入負載。當未接入負載時，顯示“請插入充電電池”；當接入負載時，顯示工作時的相關參數。

2．5 過熱保護
    DS18B20可以程序設定9～12位的分辨率，精度為±0．5℃。它能夠與單片機直接通信，方便了控制。在與單片機連接時，僅需要一條線即可實現單片機與DS18B20的雙向通信。當負載溫度大于等于60℃時，單片機使充電電路停止工作；當負載溫度降到一定程度時，重新啟動充電電路。

3 控制軟件設計
    軟件設計流程圖如圖4所示。

4 測試數據及測試結果分析
4．1 測試儀器
    測試使用TDS1001型示波器、HP34401A型數字萬用表、WY2174型低頻電子電壓表。
4．2 輸出電流測試
    電源工作在恒流狀態時，通過測量采樣電阻上的電壓得到測量電流，采樣電阻為1 Ω。波紋電壓用電子電壓表測量。
4．2．1 100 mA恒流充電
    在100 mA恒流狀態時，輸出電流與波紋電流如表1所示。

4．2．2 200 mA恒流充電
    在200 mA恒流狀態時，輸出電流與波紋電流如表2所示。

    從表1，表2測量數據可知改變負載電阻時，輸出電流變化絕對值小于等于2 mA，紋波電流小于等于1 mA。
4．3 輸出電壓測試
    電源工作在恒壓狀態時，用電壓表直接測量輸出端的輸出電壓(如表3所示)。從表3的測量數據可知，改變負載電阻時，輸出電壓波動小于0．2 V，輸出紋波電壓小于10 mV。

5 結 語
    系統利用SPCE061A 16位單片機實現了充電過程的實時控制，根據充電狀態自動選擇快、慢和恒流、恒壓充電模式，內部測量系統實時監測當前溫度并自動控制充電過程，以保護電池性能，延長壽命。