1 导言
锂电池闲其比能量高、自放电小等长处，成为便携式电子设备的抱负电源。近年来，跟着笔记本电脑、PDA，无绳电话等大功耗大容量便携式电子产品的遍及，其对电源体系的要求也日益进步。为此，研制功用安稳、安全牢靠、高效经济的锂电池充电器显得尤为重要。
本文在归纳考虑电池安全充电的本钱、规划散率及重要性的基础上，规划了一种依据ATtiny261单片机PWM操控的单片开关电源式锂电池充电器，有用地克服了一般充电器过充电、充电缺乏、功率低的缺陷，完结了对锂电池组的智能充电，到达了预期作用。该方案规划灵敏，可满意多种类型的锂电池充电需求，且ATtiny261集成化的闪存使其便于软件调试与晋级。
2 锂电池充电特性
锂电池充电需求操控它的充电电压，约束其充电电流。锂电池一般都选用三段充电法，即预充电、恒流宽电和恒压充电。锂电池的充电电流一般应约束在1C(C为锂电池的容量)一下，单体充电电压一般为4.2V，不然或许因为电聪过高会形成键电池永久性损坏。
预充电首要是完结对过放的锂电池进行修正，若电池电压低于3V，则有必要进行预充电，否刚可省掉该阶段。这也是最遍及的情况。在恒流阶段，充电器先给电池供给大的恒定电流，一起电池电压上升，当魄池电压到达饱满电压对，则转入憾压充电，充电电压动摇应操控在50mV以内，一起充电电流下降，当电流逐步减小到规则的值时，可完毕充电进程。电池的大部分电能在惯流及恒压阶段从充电器流入电池。曲上可知，充电器实践上是一个精细电源，其电流电压都被约束在所要求的规模之内。
3 硬件电路规划
该体系在电路规划上首要由单片开关电源、操控电路及维护电路三部分组成。
3.1单片开关电源
单片开关电源担任将电能转化为电池充电所需求的办法，构成了充电器的首要功率转化办法。与传统线性充电器大损耗、低功率的缺陷比较，由美国 Power Integrations公司的TNY268P构成的单片开关电源，其输入电压规模宽(85265VAC)、体积小、重量轻、功率高，其有调压、限流、过热维护等功用，特别适合于构成充电电源。其原理图如图1所示。
图1单片开关电源
该电源选用配稳压管的光藕反响电路完结15V的低压直流输出，当输出电压产生改动时，经过线性光藕PC817的发光管的电流产生相应的改动，使得 TNY268P的EN脚流出电流也产生改动，然后操控其片内功率MOSFET的断、通、调理输出电压，使输压电压安稳。详细反响原理剖析详见后文脉宽调制 (PWM)的操控。
在电路结构上，线性光藕PC817，不光能够起到反响作用还可起到阻隔作用。由PNP管Q2和电阻R9、R1O及R12组成的限流电路，则从源头上避免了过电流的问题。由C6及R11构成的缓启电路，则有用遏止了电源上电瞬间的产生的电压尖峰。而二极管D9则避免了电池组的反向放电。此外，对整个充电体系而言，当因意外情况体系失控时，开关电源所供给的15V直流低压也在某种程度上起到了约束其最高电压的作用。
3.2操控电路
单片机担任操控整个体系的运转，包含充电电流电压值的设定，电流电压的检测与调整，充放电情况的显现等。与专用充电操控芯片比较，单片机操控体系不只不受电池组容量巨细的阻将电流转化为电压进行的，因而其PWM操控调整进程与恒约束，还可经过软硬件合作完结更灵敏的归纳操控，也便于进一步的后续开发。
体系操控选用Atmel公司的AVRATtiny261来完结，操控框图见图2。ATtiny261选用AVR RISC结构，其大部分指令履行时刻仅为1个时钟周期.可到达挨近1MIPS/MHZ的功用;11路lObitADC。且15对具有可编程增益的ADC差分通道，精度高达2.5mV的内置2.56V基准源，3个独立PWM产生器，片上温度传感器，足以满意规划需求。
图2体系操控结构框图
3.2.1自愿检测
体系电压采样选用精细电阻分压办法，将丈量电压规模转化成0-2.56V，然后经过1倍的差分ADC通道转化成数字信号，在充电进程中将测得的电压值与预先设定的值进行比较，再操控调整PWM占空比完结对充电电压的操控与调理。
3.2.2电流检测
在体系电流的榆测上，因为选用ATtiny261的ADC差分通道，这就要求其正端输入电压有必要大予负端输入电压。困此，在电路规划上，经过串联在电流主回路中的高精度采样电阻RsenseB和RsenseA，经ADC2-ADCl和ADCl-ADC0两对32倍的ADC差分通道(参见图3)，别离完结对充、放电电流的检测。可见，差分ADC的选用，既确保了电流采样的精准，又避免了因电路中引进差分远放所带来的功率损耗问题，很好的满意了体系功用与功耗两方面的要求，充沛体现了ATtiny261的优势。
图3电池维护电路
3.2.3温度检测
温度检测确保了安全充电进程的履行。体系中运用ATtiny261的毖上湿度传感器，经过ADCIl进行温度检测。丈量电压与温度根本成线性关系，约lmv/°C的精度可供给充沛精度的温度丈量。如欲取得更高精度的温度检测，可经过软件写入校准值的办法来完结。
3.2.4 PWM操控
规划中，在前述稳压管反响操控的摹础上，在反响环节中引进PWM的办法操控充电。其根本操控思维是使用单片机的PWM端口，在不改动PWM波周期的前提下，经过电流及电压的反响，用软件的办法调整PWM占空比，然后使电流或电压按预订的充电流程进行。
因体系进入充电作业情况后，受锂电池停止充电电压的约束，其最高电压不得高于12.7V，所以开关电源中的稳压管Zl一直处于截止情况，充电进程彻底由PWM的操控来完结。以恒压充电为例，在充电电压调整之前，单片机先快速读取充电电压检测值，然后将设定的电压值与实践读取值进行比较，若实践电压偏高，则进步PWM占空比，使线性光耦PC817的发光二极管的电流1F增大，致使TNY268的EN脚置为低电平，其片内功率MOSFET关断，输出电压下降。反之，则下降PWM占空比->IF减小->EN脚为高电平，片内功率MOSFET接通，输出电压升高。在预充电，恒流充电阶段对电流的调整，是经过采样电阻将电流转化为电压进行的，因而其PWM操控调整进程与恒压阶段彻底相似。当充电完毕时，PWM继续输出占空比为1的高电平，关断 TNY268P的片内MOSFET，中止功率转化回路，完结充溢后主动停充。
为确保采样的精确，尽量避免因为ADC的读数误差和电源作业电压等引进的波纹搅扰，一切采样点都经过阻容滤波处理，并在软件PWM的调整进程中选用了数字滤波技能。
3.2.5 按键与显现
充电器的功用按键呼应由ATtiny261的外中止来完结，与LED显现相合作可获悉池放电情况，并提示体系行将停止。体系充放电的每个情况都与相应LED显现对应。可依据电压检测判别是否有电池装入及供给电池短路维护，并给出LED报警信号。
3.3维护电路
因为锂电池的化学特性，在运用进程中，其内部进行电能与化学能彼此转化的化学正反响。但在菜蝗条件下.如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部产生化学副反响，该副反响加重则会严重影响锂电池的功用与运用寿命，乃至会引起爆破而导致安全问题，因而锂电池维护电路显得至为重要。
如图3所示，该电路选用精工的多节锂电池维护芯片S8233构成，可对电池电压和回路电流进行有用监测，并经过对MOS管FET-A或FET-B的操控在某些条件下关断究、放电回路以避免对电池产生危害。与其它电池维护芯片如S8254比较较，S8233还可经过外接MOS管FET1，FET1及 FET3来确保锂电池组的充电平衡，这是其它相似芯片所不具备的长处。经过单片机对S8233芯片CTL端子的操控，可完结对锂电池的毛病维护。
4 软件规划
体系软件选用汇编语言编写，并在AVR Studio4环境下编译调试完结。整个体系软件内充电主程序和中止服务子程序组成。主程序首要完结体系、变量及看门狗守时器的初始化.操控体系完结充电功用。单片机完结初始化后，依据电池情况判别应该进入哪一个充电阶段，然后经过AD采样与中止呼应完结PWM的调整，完结相应阶段的操控。主程序流程见图 4。程序中经过AD中止子程序来改动PWM占空比，守时中止子程序来操控最大充电时刻，外中止来判别电池组放电情况。
图4 主程序流程
5 试验测验成果
试验中选用750mA恒流对3节1500mAh的锂电池组进行充电，充电电流.电压测验曲线如图5所示。试验成果她示，由单片开关电源完结AC- DC的转化，经过ATtiny261与S8233维护芯片的彼此合作与操控所完结的锂电池充电器，满意了3节锂电池组的充电要求，取得了较好的充电作用。
图5 电池充电测验热线
6 完毕语
因为AVR ATtiny261杰出的性价比，使得产品的智能性与应用性大大进步，且缩短了开发时阔.下降了开发本钱。而且，体系选用归纳操控的软件算法，避应了不同类型及容量的锂电池需求机电路集成度高，结构简略，功用牢靠，经济简便，具有很大的实用价值。此外，在体系现有功用完结的基础上，充沛使用 ATtiny261的片表里资源，经过其所具有的12C通讯功用，能够很便利的晋级为智能电源办理体系，直接成用于各种便携式电子设备。
