锂电池充电器电路设计(共18页)

精选优质文档-倾情为你奉上湖南文理学院课程设计报告课程名称： 电子设计制作与工艺实习 课题名称： 锂电池充电器电路设计 系 部： 电气与信息工程学院 专业班级： 自 动 化 10 级1班 学生姓名： 常 亮 指导教师： 王 文 虎 完成时间： 2012年6月11日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 专心-专注-专业摘 要锂电池充电器是专用的锂电池充电工具，由于锂电池大量使用，且锂电池的价格比较昂贵，大众对充电器的讲究越来越重视；于是设计了一个稳定可靠充电模式的充电器。它由变压器、全桥整流管、三端稳压器和电容构成了电源单元；二极管和电阻构成电池采样单元；由两个不同的三极管构成恒流恒压转换单元；由运放器、电阻、稳压二极管构成电池充电电路的逻辑处理单元；由DW01芯片、二极管和两个CMOS管构成保护电路。电源部分、电池采样单元、逻辑处理单元、恒流恒压转换单元以及锂电池充电器保护电路组成了安全的，且具有恒流和恒压充电模式的充电器。经过电路单元分析计算设计出锂电池充电器的恒流恒压转换的临界电压值；通过multisim仿真结果显示与分析计算达到了一致。锂电池充电电路在原来单纯的恒流充模式的基础上增加了一个恒压充模式；然后经过计算分析，设置出锂电池的恒流恒压转换的临界电压值；与此同时增加了一个充电器保护单元，有效的起到了过充保护作用。但在整个电池充电器电路中的一些不足还有待解决。关键词：锂电池；整流；电压采样；恒流恒压模式；保护电路AbstractLithium battery charger is special lithium battery tool, due to the use of lithium batteries, and the price of lithium battery relatively expensive, the exquisite pay more and more attention to the charger; Then design a stable and reliable charging mode charger. It consists of transformer, the whole bridge, the voltage stabilizer and emission three capacitance constitute the power supply unit; Diode and resistance constitutes battery sampling unit; By two different transistor constitute a constant voltage conversion unit; The op-amp device, resistance, constitute the battery voltage circuit of the diode logical processing unit; By DW01 chip, diodes and two CMOS tube constitute the protection circuit. The power of the battery unit, logic, sampling the processing unit, constant voltage conversion unit and lithium battery charger protection circuit formed safe, and with constant flow and constant pressure charging mode charger. After analysis to design the circuit units lithium battery charger of the constant pressure of conversion of critical voltage value; Through the multisim simulation results indicate that the calculation and analysis to the same. Lithium battery charging circuit in the original simple constant current filling the basis of the model of added a constant pressure filling mode; Then through calculation and analysis, set out of lithium-ion batteries constant voltage conversion of critical voltage value; At the same time added a charger protection unit, effective played the overcharge protection. But in the whole battery chargers in the circuit some shortage remains to be resolvedKeywords：Lithium battery; Rectification; Voltage sampling; Constant voltage mode; Protection circuit 目 录第一章 锂电池充电器方案设计 锂电池一般经过涓流充，然后经过恒流充，最后进行恒压充。但以这种充电方法对锂电池充电短时间内不能达到需求的电量。考虑单纯的恒流充电方式对锂电池充电器设计，虽然达到了在短时间内完成需求的电量，但是易对电池造成损害；基于充电器在短时间达到需求的电量，且对电池损害不大的情况下，设计了恒流充和恒压充两种模式实现。设计在电压源处采用三端稳压器和全桥整流来保持一定的输入电压，然后先恒流后恒压充电，充电过程对锂电池两端电压不断进行采样，采样信号经过逻辑控制器处理，实现恒压、恒流充电自动转换。1.1 绪论锂电池充电器是专门用来为锂电池充电的充电器。锂电池对充电器的要求较高，需要保护电路，达到充电完成时自动进行过充保护，所以锂电池充电器通常都有较高的控制精密度，能够对锂电池进行恒流恒压充电，进行粗充电。当对电池充电时或者恒流充电时，LED绿灯亮；电池恒压充时，LED红灯亮；当电池饱和或没充电时，LED都不亮；这样能够粗略的显示充电时的电量。采用了锂电池充电器专用芯片DW01，实现过充保护功能。这种充电器的设计方案是在锂电池单纯的恒流充电模式的基础上增加了恒压充，同时增设了防过充电路。实现了恒流恒压充电模式，充电过程能显示两种充电模式，且有过充保护性能，对电池损害少。1.2 锂电池充电器的设计方案 单纯的恒流充设计比较简单，能够自动的停充；它是针对于在短时间内达到需求电量的领域设计的；而恒流恒压充是基于大众用户设计，它突出点是对电池损害少。图1.1 恒流充电器流程图电池电量采样电池停充逻辑处理恒流充电源处理1.2.1 恒流充电器设计 单纯的恒流充设计比较单纯，易于控制，但不能得到较高的充电量；设计采用了78系列的三端稳压器来产生稳定的电压，利用比较器对电池剩余量采样的比较，然后把信息回馈给逻辑处理部分，从而对电池做出继续充电还是停止充电做出判断；采用CMOS管对电池充停做出决定（导通时对电池充电，截止时停止充电）。12.2 恒流恒压充电器设计电源处理逻辑处理恒流恒压转换采样电池图1.2 恒流恒压充电器流程图锂电池的恒流恒压充电能够在短时间的到比较理想的电量，方案采取了5个单元，电源单元，恒流恒压单元，电池采样单元，逻辑处理单元和保护电路；与单纯的恒流不同的是恒流恒压采用了调整管来产生恒流，起到了调电流的作用。1.3 方案分析单纯的恒流充电充电速度快，设计比较简单，但易对电池造成伤害。恒流恒压充集结了单纯的恒流充，同时弥补了单纯的恒流充的不足，对电池伤害少，同时能对电量的需求能粗略的显现。由于锂电池充电需要的精度比较高，因此保护电路是不可或缺的，这样就有效的防止电池过充。第二章 锂电池充电器电路设计锂电池恒流恒压充电采用了电源单元，电池采样单元，逻辑处理单元，恒流恒压转换单元，以及电池防过充保护电路单元。电源单元是整个电路的能量供应所，为整个装置供求必要的能量；电池采样单元顾名思义便是对电池剩余电量进行采样，然后回馈给逻辑处理单元；逻辑处理单元是对电池采样单元回馈出来的信号做出逻辑处理，当电池为低电压时（小于4.2V）；电池进行恒流充电模式，当电池达到4.2V时，电池转入恒压充模式；而电池电量充足时，电池进入停充状态。恒流恒压转换单元，在电池电量达到4.2V时，恒流恒压转换单元便起到作用把恒流模式转入到恒压模式；电池电路的保护单元是锂电池充电器必不可少电路单元，它主要是防止电池过充对电池产生不可逆的损害。电源单元，电池采样单元，逻辑处理单元，恒流恒压转换单元相互依赖，相互依存，各个单元各尽其责便组成了电池充电器电路。2.1 电源单元电源单元是各个单元的能量供应站，它由变压器，全桥整流，三端稳压器构成。变压器把220V交流电变成交流15V，然后通过全桥整流把交流电变成直流电两个有极性电容作电源的低频滤波，此处的无极性电容作电源的高频滤波，而三端稳压器7809把电源电压稳压输出一个比较稳定的直流电压。理论分析2端口为=9V电压，1端口为1.2压。 图2.1 电源模块 图2.2 采样单元 2.2 电池采样单元电池采样单元在整个电路作为信息的源泉，它承担着电池剩余量的采样，回馈给逻辑单元，逻辑单元的决策完全取决于电池采样单元。防止电池放电，起到了保护作用，R7对电池进行采样电阻，然后采样电压与基准电压进行比较。图2.3 逻辑处理部分2.3 逻辑处理单元逻辑处理单元是电池充电电路的中间站，每个过程都需要经过逻辑处理部分电路，它是对电池采样单元做出逻辑决定，根据采样值来决定电池进行的是恒流充还是恒压充。2.3.1 分析与计算逻辑处理单元对电池采样的电压与基准电压比较，来决定电池的充电模式的，基准电压通过V2管来满足，因而V2管选择上要达到恒流恒压临界电压，采用IN5991来满足；而运放管选用741（单集成运放）来进行比较（采样电压与基准电压）；然后进行比列运算来对电压差进行放大，R8，R10的和与R9的商即为放大的倍数，同理，R15，R12的和与R14的商为放大的倍数，输出的电压是否满足恒流或恒压模式的电压。设采样电压为3V，而基准电压为4.3V，则此时输出电压为V，为负值，充电模式为恒流充电模式，只有当采样电压稍大于基准电压，便转入到恒压模式。2.3.2 器件介绍741单运放集成器任何一个集成运放都有两个输入端，一个输出端以及正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端等。而741集成运放器的特点：电源端：通常由正、负双电源供电，典型电源电压为15V、 12V等，第七脚；输出端：只有一个输出端。在输出端和地（正、负电源公共端）之间获得输出电压，第六脚输入端：分别为同相输入端和反相输入端，第二脚为反相端，第三脚为同向端。图2.4 恒流恒压转换2.3 恒流恒压转换单元恒流恒压单元是电池进行的恒流模式和恒压模式转换的中间站，当电池低电压在4.2V以下V6导通V7截止，电池进行恒流充电；当电池电压在4.2V时，V7导通，V6截止，电池进行恒压充电，V4导通，蓝灯LED亮；而R4作为三端调整管的调压电阻。25 电池保护电路 锂电池充电器保护电路是电池充电电路不可或缺的部分，它主要是防范电池过充；该电路主要由锂电池保护专用集成电路DW01，充、放电控制MOSFET1(内含两只N沟道MOSFET)等部分组成，单体锂电池接在B+和B-之间，电池组从+VCC和VCC输出电压。充电时，充电器输出电压接在+VCC和VCC之间，电流从+VCC到单体电池的B+和B-，再经过充电控制MOSFET到VCC。在充电过程中，当单体电池的电压超过4.35V时，专用集成电路DW01的OC脚输出信号使充电控制MOSFET关断，锂电池立即停止充电，从而防止锂电池因过充电而损坏。放电过程中，当单体电池的电压降到2.30V时，DW01的OD脚输出信号使放电控制MOSFET关断，锂电池立即停止放电，从而防止锂电池因过放电而损坏，DW01的CS脚为电流检测脚，输出短路时，充放电控制MOSFET的导通压降剧增，CS脚电压迅速升高，DW01输出信号使充放电控制MOSFET迅速关断，从而实现过电流或短路保护。器件DW01图2.5 保护电路正常条件：如果VODLVDDVOCU，并且VCHVCSIVOI1，那么M1和M2都开启。此时充电和放电均可以正常进行。过充电状态：当从正常状态进入充电状态时，可以通过VDD检测到电池电压。当电池电压进入到这充电状态时，VDD电压大于VOCU，迟延时间超过TOC，M2关闭。释放过充电状态：进入过记电状态后，要解除过记电状态，进入正常状态，有两种方法。如果电池自我放电，并且VDDVOCR，M2开启，返回到正常状态。在移去充电器，连接负载后，如果VOCRVDDVOI1，M2开启，返回到正常模式。过放电检测：当由正常状态进入放电状态时，可以通过VDD检测到电池电压。当电池电压进入过放电状态时，VDD电压小于VODL，迟延时间超过TOD，则M1关闭。此时CSI管脚通过内部电阻RCSID拉到VDD。如果VCSIVOI2，则电路进入断电模式（电流小于0.3uA）。释放断电模式：当电池在断电模式时，若连接入一个充电器，并且此时VCHVCSIVOI2，VDDVODR，M1开启并返回到正常模式。充电检测：如果在断电模式有一个充电器连接电池，电压将变为VCSIVODL。M1开启并返回到正常模式。异常充电状态：如果在正常模式下，充电器连接在电池上，若VCSIVCH，迟延超过TOC，则M2关闭。过电流/短路电流检测：在正常模式下，当放电电流太大时，由CSI管脚检测到电压大于VOIX（VIO1或VIO2），并且迟延大于TOIX（TIO1或TIO2），则代表过电流短路状态。M1关闭，CSI通过内部电阻RCSIS拉到VSS。释放过电流/短路电流状态：当保护电路保持在过电流/短路电流状态时，移去负载或介于VBAT+和VBAT-之间的阻抗大于500K，并且VCSIVOI1，那么M1开启，并返回到正常条件。注：当电池第一次接上保护电路时，这个电路可能不会进入正常模式，此时无法放电。如果产生这种现象，使CSI管脚电压等于VSS电压（将CSI与VSS短路或连接充电器），就可以进入正常模式。VOCD表示过充电检测电压，VOCR表示过充电释放电压，VODL表示过放电检测电压，VODR表示过放电释放电压，VOI1表示过电流1检测电压，VOI2表示过电流2（短路电流）检测电压，VCH表示过电器检测电压，TOC表示过充电检测迟延时间，TOD表示过放电检测迟延时间，TOI1表示过电流1检测迟延时间，TOI2表示过电流2（短路电流）检测迟延时间。2.6 整体电路充电电路是由电源单元，电池采样单元，逻辑处理单元，恒流恒压转换单元，电池过充保护电路构成；电源通过变压器降压然后经整流管整流把交流变直流，然后经LM317三端调整管，保持输出一个稳定的电流，即输出电流为恒流I=1.25(1+R3R4)+Iq；Iq为三端调整管输出电流可忽略。图2.6 锂电池充电器电路第三章 充电器仿真实验充电器电路在理论上已经过计算分析，然而在仿真上是否与理论中计算的结果一致，是在实践中重要的一部，这就需要进行仿真实验来验证；仿真软件采用专用电气电路仿真软件multisim。观察仿真数据变记录，然后与理论值进行对比分析是否一致，做出最后的修订。3.1 仿真实验实验目的是验证理论值与仿真值是否一致，得出电路的最佳效果。实验仪器有家庭电脑，multisim仿真软件。实验的步骤分析图3.1 仿真结果显示 实验在进行仿真然后计算再仿真验证直到一个比较理想的状态的过程。观察电池电压4.2V以下时，改变电池电压，看充电电流是否恒定不变；然后观察电池电压在4.2V时，电压是否恒定不变。电池在电压为3V在理论中为恒流充阶段，根据仿真结果在3V和4V时的电流值相差不是很大可以近似为恒流。故在恒流上理论值与仿真值近似相等，实验成功。电池电压在4.2V时的电流非常小，可判断其为恒压充。综合，仿真结果与理论分析结果接近，由此，充电电路为正确电路，且具有充电特性，在4.2V以下为恒流充，在4.2V时，电池进入恒压充。总 结该充电电路在原来的单纯的恒流充中多加了一个恒压充，使电池在充电时能够避免一些不必要的损伤。两种充电方案在电路元器件种类看基本一致，都有电源单元，逻辑处理单元，电池采样单元，电池保护电路，而恒流恒压充只都加了一个恒流恒压转换单元，显然恒流恒压充的性价比得到了提高，适合当代大众的品味。在完成充电电路设计过程中主要采用了模拟电子技术，把各个模拟器件组成单元模块，然后通过这些单元组成整个充电电路。仿真中由于无法对电池内部电阻准确的计算以及没有变压器元件，因而带来大量的不便，事实中电池内部电阻是变化的，而在仿真时，人为的把电池内部电阻值作为不变值，故在仿真时带来了误差；由于没有变压器元件，在仿真时躲避了对电源单元的仿真，只是在理论上把该部分电路的作用作为主观想法。在整体上，电路满足恒流恒压充的转换条件，验证了电池充电电路的恒流恒压充的功能。但还存在一些不足，在充电过程中设置的恒流充的电流还是较小，不能快速充；同时电池在充足时不能自动的停充，有在充满电时，有倒放的不足，另外在逻辑处理单元的稳压二级管要求比较高稳压值误差不能超过0.1V。未来中在恒流充部分增大电流，同时需要把倒放的不足弥补，让电池在充电过程中可靠自动的停充。参考文献1康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分M.华中科技大学电子技术课程组.2魏海明，杨兴瑶.实用电子电路500例M.化学工业出版社，2003.112137.3李响初，阙爱仁，李喜初.实用电子控制线路200例M.中国电力出版社，2009.188207.4孙俊人.通用模拟电路M.中国计量出版社，2001. 2122,154170.致 谢经历这个课程设计，感受到设计的艰辛与收获；在设计过程中领悟到模拟电路的一些单元电路的作用及用法，以及一些模拟电路的元器件在电路中的作用。理解并掌握了锂电池的充电过程。在这里我首先要感谢自己的父母，是他们给予了我们的生命，给予了关照和抚养，是他们教育我们学习的真谛。然后需要感谢的是文理学院给予了我们学习氛围，给予了我们一个学习深造的平台，以及学院给我们一个这样的一个学习平台。再者要感谢王文虎老师，因为在他的熏陶之下使得我们在生活上有了一种积极向上的风气，更重要的是那种凛然之气带给我们在学习上的严整性，在课程设计过程中经历了几个大的疑云，然而经过王老师的点拨，再经过自己的思考，让我感觉到“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”；他的严整之风，知识渊博，视野雄阔为我营造了良好的学习氛围，俗话说：授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染使我接受了全新的观念和严整的学术之风。最后，我要感谢的是同学和学长们给予的支持、帮助；在探讨充电电路是是谢鹏给与了一个他设计的电池充电的电路图，再在他的图中经过自己的改编和调研完成了一副自己设计的充电电路图；还需要感谢的是康文邵在软件画电路图时的注意事项和一些使用技巧，使得我能完好的画出自己设计的电路图；另外需要感谢的是马庆修学长在电路探讨中的帮助，以及给与的电脑使用，才能写好设计的文档。在这里我衷心的感谢各位给予的帮助。附录1 锂电池充电器电路图图1 锂电池充电器电路附录2 锂电池充电器电路元器件明细表序号代号名称型号与规格数量备注1Rp3、Rp7、滑动变阻器100/0.5W22R16电阻100/0.5W13R9、R10、R11、R13、R14、R17电阻1K/0.25W64R1、R2电阻2.2K/0.25W25R4电阻5K/0.25W16R5、R7、R10、R12电阻10K/0.25W47R2电阻13K/0.25W18R6电阻20K/0.25W19R8、R15电阻100K/0.25W210C6有极性电容0.1uF/16V111C1、C3有极性电容47uF/25V212C2、C4、C5无极性电容33uF313V3、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11二极管IN4007814V1红灯、V4蓝灯发光二极管 5215V2稳压二极管1N5991116V10PNP三极管9015117V11NPN三极管9012118V12、V13NCMOS管TPC8003219N1、N2集成运放器741220N3锂电池保护芯片DW01121U1三端稳压器7809122U2三端调整管LM317123T变压器交220V/交15V1