基于SPCE061A的智能型充电器

1 充电电源方案论证与选择
    充电电源的主要部分是恒流源和恒压源，因此实现恒流输出和恒压输出是设计的主要任务。
    方案一，采用充电芯片U2402B作为充电电源的核心部件。U2402B能够实现对充电过程、充电电流、温度的控制；再加上单片机的控制，能够很好地实现对电路的控制。通过外围电路的设置可以实现输出达到800 mA的电流，完全满足题目的要求。它的集成度高，稳定性好。但所用芯片对电流与电压的切换存在一定局限性，而且不能保证负载对电流的变化满足题目的要求。
    方案二，采用恒流源与恒压源切换的方式实现。恒压源采用由LM7805和高精度运OP07构成的恒压源，具有输出稳定，纹波小的特点。脉冲调宽式(开关式)恒流源通过改变调整器的工作脉冲宽度达到恒流的目的。这种恒流源调整器工作在开关状态，功率损耗小，效率高达70％～95％，但纹波电流大，辐射干扰强，恒流精度低。
    方案三，以SPCE061A单片机作为中枢控制系统，采用恒流源与恒压源切换的方式实现。恒压采用由LM7805和高精度运OP07构成的恒压源，具有输出稳定，波纹小的特点。恒流源由IRF640大功率场效应管和OP07组成，输出恒流精度高，纹波小，负载对输出电流的影响小。综合考虑后决定采用此方案。

2 硬件电路设计
2．1 总体设计
    系统框图如图1所示。

    系统在SPCE061A控制下，完成对恒流充电、恒压充电和温度的检测与控制，并用LCD显示结果。
2．2 恒流源和恒压源
2．2．1 压控恒流源充电电路设计
    电路原理图如图2所示。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R3、负载电阻RL等组成。

    电路中调整管采用大功率场效应管IRF640。采用场效应管易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流100 mA和200 mA的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时，漏极电流Id近似为电压Ugs控制的电流，即当Ud为常数时，满足Id=f(Ugs)，只要Ugs不变，Id就不变。在此电路中，R3为取样电阻，采用康铜丝绕制(阻值随温度的变化较小)，阻值为1 Ω。运放采用OP-07作为电压跟随器，Ui=UP=UN，场效应管Id=Is(栅极电流相对很小，可忽略不计)，所以Io=Is=UN／R2=Ui/R2。正因为Io=Ui／R2，电路输入电压Ui控制电流Io，即Io不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。
2．2．2 恒压源充电电路设计
    恒压源充电电路的设计电路如图3所示。稳压电路选用LM7805CT正输出三端稳压器，稳压值的容差为±5％，电压调整率其数值约为0．01％，满足题目的要求。此电路通过调节R1来改变OP-07的输出，从而动态控制输出电压，达到稳压的效果。
2．3 数据采集电路
    为保证精度，A／D需要10位，SPCE061A有8个10位模／数转换通道，其中7个通道用于将模拟量信号转换为数字量信号，可直接通过端口(IOA[0～6])输入。模拟输入量取自恒流电路负载RL两端的电压值，当电压值大于等于10 V时，单片机控制充电电路切换充电方式，由恒流充电方式转变成恒压充电方式。
2．4 显示单元
    选用OCMJ4×8C中文液晶显示器，能够显示充电模式(快充、慢充)、充电电流(单位为mA)、负载温度(单位为℃)。增加了开机检测模块，检测是否接入负载。当未接入负载时，显示“请插入充电电池”；当接入负载时，显示工作时的相关参数。

2．5 过热保护
    DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0．5℃。它能够与单片机直接通信，方便了控制。在与单片机连接时，仅需要一条线即可实现单片机与DS18B20的双向通信。当负载温度大于等于60℃时，单片机使充电电路停止工作；当负载温度降到一定程度时，重新启动充电电路。

3 控制软件设计
    软件设计流程图如图4所示。

4 测试数据及测试结果分析
4．1 测试仪器
    测试使用TDS1001型示波器、HP34401A型数字万用表、WY2174型低频电子电压表。
4．2 输出电流测试
    电源工作在恒流状态时，通过测量采样电阻上的电压得到测量电流，采样电阻为1 Ω。波纹电压用电子电压表测量。
4．2．1 100 mA恒流充电
    在100 mA恒流状态时，输出电流与波纹电流如表1所示。

4．2．2 200 mA恒流充电
    在200 mA恒流状态时，输出电流与波纹电流如表2所示。

    从表1，表2测量数据可知改变负载电阻时，输出电流变化绝对值小于等于2 mA，纹波电流小于等于1 mA。
4．3 输出电压测试
    电源工作在恒压状态时，用电压表直接测量输出端的输出电压(如表3所示)。从表3的测量数据可知，改变负载电阻时，输出电压波动小于0．2 V，输出纹波电压小于10 mV。

5 结 语
    系统利用SPCE061A 16位单片机实现了充电过程的实时控制，根据充电状态自动选择快、慢和恒流、恒压充电模式，内部测量系统实时监测当前温度并自动控制充电过程，以保护电池性能，延长寿命。