單片機(jī)的鋰電池充放電電路設(shè)計(jì)

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【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，移動(dòng)智能產(chǎn)品的功能日益多元化，其使用越來(lái)越頻繁，各類(lèi)數(shù)碼產(chǎn)品的鋰電池不能滿足用戶的需求，移動(dòng)電源在人們的生活中得到廣泛的應(yīng)用。移動(dòng)電源的儲(chǔ)能單元一般都是鋰電池，本文通過(guò)分析鋰電池的主要工作愿和能力，分析其充電和放電的主要特征，完善鋰電池充電和放電的設(shè)計(jì)，并且提出了具體的設(shè)計(jì)方案，提升移動(dòng)電源的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】鋰電池；移動(dòng)電源；充電；放電

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能終端得到普及，可攜帶式的移動(dòng)電子產(chǎn)品得到人們的青睞。智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備都需要采用鋰電池供電，但是人們對(duì)這些電子產(chǎn)品非常依賴(lài)，常常出現(xiàn)電力不足的情況。現(xiàn)在各類(lèi)數(shù)碼產(chǎn)品的功能非常完善，而且使用也非常頻繁，完善電子產(chǎn)品的鋰電池的性能顯得非常關(guān)鍵。為了確保外出時(shí)電子產(chǎn)品可以保持充足的電量，很多用戶都會(huì)采用移動(dòng)電源給電子產(chǎn)品充電。移動(dòng)電源中由鋰電池供電，其在平板電腦、數(shù)碼相機(jī)中也得到了應(yīng)用。移動(dòng)電源技術(shù)突破了固定電源的局限性，在鋰電池發(fā)展中也是一項(xiàng)突破。本文結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，分析鋰電池充電和放電的設(shè)計(jì)。

1充電和放電電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及鋰電池的優(yōu)勢(shì)

1.1充電和放電電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移動(dòng)電源俗稱(chēng)充電寶，其中有鋰電池作為儲(chǔ)能電源，借助升壓和降壓的方式，對(duì)電力進(jìn)行釋放和保存，結(jié)合了儲(chǔ)存電能和提供電能的功能，其體積比較小，攜帶非常方便，可以給各類(lèi)數(shù)碼產(chǎn)品隨時(shí)充電。充電和放電系統(tǒng)主要是由控制電路、升壓電路和充電管理電路等構(gòu)成。升壓電路主要起到輸出斷路和保護(hù)電路的效果，移動(dòng)電源的鋰電池主要起到充電、放電和保護(hù)電路的效果，系統(tǒng)供電管理電路主要起到電量的檢測(cè)效果。充電系統(tǒng)的質(zhì)量受到充電電池的材料、體積和容量等影響。由于鋰電池與其他類(lèi)型的電池比較而言，其質(zhì)量比較小，而且體積不大，放電量不大，可以進(jìn)行快速的充電，在各類(lèi)智能設(shè)備的充電中得到廣泛的應(yīng)用。與液態(tài)的電池相比較而言，移動(dòng)電源中的鋰電池充分的采用固體聚合物，電池的形狀非常薄，而且形狀可以發(fā)生變化，體積也能得到縮小，其能量密度非常大，在相同的體積下，鋰聚合物電池的重量更小。所以，在電子產(chǎn)品中的移動(dòng)電源中，一般都是采用鋰聚合物電池。在移動(dòng)電源中使用的鋰電池對(duì)電壓提出了非常精確的要求，一般電壓控制在4.5V以內(nèi)，其電壓非常低，在低電壓的情況下，鋰電池在為各類(lèi)數(shù)碼產(chǎn)品充電的環(huán)節(jié)中，需要借助升壓控制電路，在移動(dòng)電源的電力向外界輸出時(shí)，應(yīng)該先提升其電壓。在移動(dòng)電源中常用的是鋰聚合物電池，在儲(chǔ)能完成后，應(yīng)該及時(shí)補(bǔ)充電量，在鋰電池的電路中，應(yīng)該確保設(shè)計(jì)了充電控制電路。在移動(dòng)電源的核心技術(shù)中，在給手機(jī)充電的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該分析放電的電路和電壓的曲線是否是平滑的，如果曲線不是平滑的，其就會(huì)對(duì)充電設(shè)備產(chǎn)生破壞，所以，在充電和放電的環(huán)節(jié)中，要完善電路的保護(hù)設(shè)計(jì)，防止電路輸出不穩(wěn)定，對(duì)智能設(shè)備產(chǎn)生損壞，而且也會(huì)影響移動(dòng)電源的質(zhì)量。移動(dòng)電源是化學(xué)電池設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，在使用中，電池的容量、壽命和安全性對(duì)其產(chǎn)生直接的影響。在鋰電池廣泛應(yīng)用的今天，移動(dòng)電源也得到了人們的青睞。在很多移動(dòng)電源的生產(chǎn)廠家中，他們對(duì)移動(dòng)電源的性能都有明確的要求，移動(dòng)電源具有較好的限流保護(hù)的效果，而且可以防止電流發(fā)生短路情況，完成反充保護(hù)線路的設(shè)計(jì)。在自動(dòng)充電和快速充電中可以得到完善，而且在電量充滿后，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的斷電。在移動(dòng)電源上還涉及了LED燈，對(duì)充電的狀態(tài)進(jìn)行展現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)了低噪聲的充電方式，可以模擬微電腦的控制。在移動(dòng)電源的生產(chǎn)中，如果要采用鋰電池，那么要保證充電的環(huán)節(jié)中保持恒定電流和恒定電壓，從而確保電池的容量可以得到有效的利用。在進(jìn)行鋰電池充電的環(huán)節(jié)中，將其放置到最大的電壓中，如果出現(xiàn)過(guò)充的情況，就會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生損壞。而且如果電壓非常低，要采用預(yù)充的方式，在充電終止時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，還可以采用其他的方式，對(duì)電池的溫度檢測(cè)，完善電池的附加保護(hù)。如今，在進(jìn)行移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了電池的充電功能，LED顯示電量的功能，保護(hù)機(jī)制，當(dāng)移動(dòng)電源在充電中，電池的溫度超過(guò)一定的數(shù)值，就會(huì)停止充電，或者電壓出現(xiàn)異常情況后，指示燈會(huì)呈現(xiàn)紅色。在過(guò)流和過(guò)壓的情況下，移動(dòng)電源都能得到保護(hù)。在針對(duì)異常情況進(jìn)行處理中，可以確?？焖俚幕謴?fù)充電。

1.2鋰電池的優(yōu)勢(shì)

其一，鋰電池的能量密度非常高，在使用中，其體積能量密度和質(zhì)量能量密度都能得到保障，而且隨著鋰電池的不斷研發(fā)，其能量密度還在不斷的提升。其二，其工作電壓可以得到保障，在單節(jié)鋰電池放電的環(huán)節(jié)中，其電壓可以達(dá)到3.7V，其在3V的電路中也能正常的供電。如果電子設(shè)備的電壓比較高，可以將電池串聯(lián)在一起使用，串聯(lián)的電池?cái)?shù)量會(huì)大大的減少。其三，鋰電池的自放電非常小，通常在10%以下，這是普通的鎳電池不能達(dá)到的。其四，鋰電池實(shí)現(xiàn)了快速的充電和放電功能，每次充電一個(gè)小時(shí)就能充80%的電量，鋰電池的負(fù)極是采用碳電極構(gòu)成，其可以代替普通的金屬離子，其可以實(shí)現(xiàn)快速的充電。在比較危急的情況下，鋰電池可以在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)將電量充滿，其安全性可以得到保障。其五，鋰電池的壽命非常長(zhǎng)，鋰電池的負(fù)極采用的是碳負(fù)極，所以在充電和放電的環(huán)節(jié)中，在負(fù)極處不能有金屬鋰產(chǎn)生，從而可以防止電池在充電的環(huán)節(jié)中出現(xiàn)短路的情況。鋰電池可以使用1000次以上。其六，鋰電池在不同的溫度范圍下都能使用，鋰電池實(shí)現(xiàn)了低溫放電的能量，其在-20攝氏度的低溫環(huán)境下能使用，在60攝氏度的高溫條件下也能使用。其高溫放電性能是其他類(lèi)型的電池不能達(dá)到的。其七，鋰電池的體積小，而且輸出的功率非常大，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。其綜合性能要比鎳鎘等電池好。

2硬件電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行移動(dòng)電源硬件電路設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該采用低能耗的單片機(jī)的方式，單片機(jī)的成本比較低，而且不會(huì)有太多的引腳，在小型的家電中也得到了廣泛的使用。在進(jìn)行溫度的測(cè)量和高端智能充電器的使用中，得到廣泛的應(yīng)用。在本次的設(shè)計(jì)中，結(jié)合充電器、穩(wěn)壓器等實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)電源充電和放電的保護(hù)工作。

2.1單片機(jī)控制電路

在進(jìn)行單片機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)中，一般是采用高速度，低能耗的設(shè)計(jì)方式，單片機(jī)具有8位高性能精簡(jiǎn)指令，內(nèi)部采用一次性編程的方式，采用數(shù)據(jù)寄存器的方式，計(jì)數(shù)器也采用8位的。在系統(tǒng)中采用多個(gè)時(shí)鐘，工作模式主要有四種，信道有15個(gè)，莫屬轉(zhuǎn)化器采用十二位的，中斷源有五個(gè)。在設(shè)計(jì)中，移動(dòng)電源的控制系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)?？刂齐娐返闹饕饔迷谟趯?shí)現(xiàn)對(duì)電壓的收集，對(duì)充電和放電的狀態(tài)進(jìn)行控制，對(duì)電量進(jìn)行指示。單片機(jī)的復(fù)位端口處的開(kāi)關(guān)直接控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。發(fā)光二極管主要對(duì)充電和放電時(shí)的電量進(jìn)行展示。在充電器的芯片中可以及時(shí)的放出信號(hào)，對(duì)鋰電池的充電情況進(jìn)行判斷。如果是處于高電平的狀態(tài)下，就說(shuō)明鋰電池處于充電的狀態(tài)，如果是在低電平的狀態(tài)下，說(shuō)明鋰電池沒(méi)有在充電的狀態(tài)中。由于鋰電池自身的電壓并不是特別的穩(wěn)定，其變化的范圍比較大，所以在對(duì)其模擬輸出量進(jìn)行分析中，應(yīng)該采用串聯(lián)電阻分壓的方式，控制好模擬量的變化范圍。在充電檢測(cè)端口處，應(yīng)該完善放電檢測(cè)端口的設(shè)計(jì)。端口一般是放電檢測(cè)端口，采用降壓型的穩(wěn)壓器，可以在一定程度上延長(zhǎng)電池的使用年限，防止電池在充電和放電的環(huán)節(jié)中出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定的情況，從而確保供電的穩(wěn)定性。單片機(jī)在對(duì)電路進(jìn)行控制的環(huán)節(jié)中，可以結(jié)合低壓差大流穩(wěn)壓器的方式。

2.2系統(tǒng)供電管理電路

在本次的研究中，采用系統(tǒng)供電的方式，運(yùn)用線性充電器的方式，其可以確保電流和電壓處于恒定的狀態(tài)。在電壓和電流保持恒定的狀態(tài)下就能保障鋰電池實(shí)現(xiàn)線性充電。為了完善散熱的效果，在系統(tǒng)下部都安裝了散熱片，為了確保芯片的正常使用，也可以設(shè)計(jì)USB接口的方式，結(jié)合適配器電源。在內(nèi)部設(shè)計(jì)了防止倒充的電路，所以不需要采用隔離二極管的方式。在移動(dòng)電源正在使用的環(huán)節(jié)中，采用高腳電平，芯片的使用狀態(tài)非常好，在引腳為充電電路大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)引腳的控制，在接受一定的電阻后，在充電的時(shí)候可以保持恒定的電流和電壓，電壓可以控制在1V，在電流通過(guò)引腳后，電流的數(shù)值也是恒定的。在引腳向鋰電池提供電流后，內(nèi)部設(shè)計(jì)了精確的電阻分壓器，從而完善電壓的恒定性。在整個(gè)充電過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了智能化的監(jiān)控，在鋰電池充電的環(huán)節(jié)中，完善了預(yù)充、電流恒定和電壓恒定的功能。

2.3充放電保護(hù)電路

在鋰電池的使用中，要設(shè)計(jì)好專(zhuān)門(mén)使用的芯片，從而可以防止鋰電池出現(xiàn)過(guò)度充電的情況，電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鋰電池的使用年限的縮短，甚至?xí)霈F(xiàn)電池被損壞的情況。提升電壓檢測(cè)的精度，完善延遲的功能。在完善充電和放電保護(hù)電路后，可以確保導(dǎo)通電阻的的降低，提升鋰電池的性價(jià)比。在電池保護(hù)和低壓開(kāi)關(guān)電路的使用情況中，可以完善鋰電池過(guò)流保護(hù)的效果，在進(jìn)行引腳的設(shè)計(jì)中，可以設(shè)計(jì)放電控制引腳，在對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該有效的控制放電，當(dāng)電壓提升后，再恢復(fù)正常的放電。在充電控制引腳的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，在對(duì)電壓監(jiān)測(cè)中，如果電壓比較高，應(yīng)該分析鋰電池是否出現(xiàn)了過(guò)充的情況，在電壓降低后可以進(jìn)行繼續(xù)充電。在這項(xiàng)設(shè)計(jì)中，可以有效的防治鋰電池過(guò)度的放電和過(guò)度充電的情況，防止對(duì)鋰電池的壽命產(chǎn)生影響。

2.4升壓輸出電路

在升壓輸出電路的設(shè)計(jì)中，要充分的采用穩(wěn)壓器，可以完善電壓源、振蕩電路、誤差放大器等切換，從而對(duì)切換電路進(jìn)行合理的控制，在高效率的電路中可以充分的采用。這種方法可以充分的借助寬柵極電壓的處理方式，在電池保護(hù)中得到廣泛的應(yīng)用。在升壓輸出電路的應(yīng)用中，主要是采用穩(wěn)壓器的方式，當(dāng)鋰電池的負(fù)載較大的情況下，可以采用高電平的方式，確保芯片可以正常的使用。在專(zhuān)用鋰電池的升壓后，可以采用引腳輸出的方式。

3結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了移動(dòng)電源鋰電池充電和放電的情況，完善升壓方式，在移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了安全性，在各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)中更加的完善，完善外圍電路的設(shè)計(jì)，并且完善了溫度保護(hù)、過(guò)載保護(hù)和漏電保護(hù)的方針。

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作者:徐文雋 王芳 單位:南京林業(yè)大學(xué)淮安校區(qū)電工電子實(shí)驗(yàn)中心 南京林業(yè)大學(xué)淮安校區(qū)物理實(shí)驗(yàn)中心