简易手机充电器的设计

前言

随着手机的普及，手机充电器已经成为现代家庭中常用的电器之一。手

机的品牌和型号众多，各种手机充电器形状和接口不同，但它们的原理和功能

基本累死，电路结构大同小异。本文就各种简易手机充电器做一下研究。

目前市场上的充电器有USB手机充电器、手机万能充电器、太阳能手机

充电器、电源适配手机充电器几种。

一、 USB充电器方案

2 0 0 6 年12 月, 信息产业部正式发布“移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法”标准, 2007 年6 月14 日起, 强制执行该标准。该标准将使充电器及手机采用通用串行总线(Univer-sal Serial Bus US B) 接口, 可实现一线多用, 可用于充电, 也可用于数据传输。

1 USB接口手机充电器方案

Usb 是新型的热插拔式接口, 除了丰富的数据通讯功能外, 电源还可用于给手机充电。在常见的铿离子电池充电方案中, 首选的是恒流恒压(Con-stant Current Constant Voltage，CCCV)充电方案。

1.1 USB 接口

USB是一种带有电源和地的双向数据端口，U SB 总线能够为所有类型的低功耗电子设备提供电源。但是, 可用电流是受限的。低功率端口提供的电源为4.4 V 一5.25 V、电流为10 m A ; 高功率端口提供的电源为4.75 v 一5.25 v、电流为100 mA。图l 是USB 2.0 压降示意图。

US B 规范定义了1 个单位负载为10 m A, 任何设备允许吸取的最大电流为5 个单位负载。由USB主机或带电源的集线器提供的能驱动5个单位负载, 电缆外设端的最小可用电压为4.5v。而由USB总线驱动的集线器能驱动1个单位负载, 提供的最小电压为4.35 V 。用这些电压对充电电压典型要求为4.2 V 的锂电池充电时, 只有很小的裕度, 这使得充电器的压降变得极为重要。所有接入U SB 端口的设备必须经过枚举过程, 枚举过程完成后, 如果主机的电源管理软件允许, 则大功率设备可以吸取更大的电流, 否则主机将关闭USB端口。

1.2 手机锂电池CCCV 充电方案

一个典型的cccv充电曲线如图1所示。

充电器必须首先检查电池, 以便确定对电池进行快速充电是否安全。如果电池电压低于约2 .5 v , 1c 的充电就会对电池造成永久性的损伤。此时, 充电器通常

是以C/ 10 一c/15 巧量级的速率对电池进行涓充, 直到其电压上升到规定限。一旦电池通过检查, 充电器便以恒定电流始电池充电。如果配备了安全定时器, 充电器在启动快速充电的同时还会开启定时器。随着电池电压在恒流充电下的上升, 充电器持续提供恒定电流直到电池电压到达恒压( vcv ) 门限。当电池到达恒压门限时, 实际的充电量接近于其容量的40 % 至70 % 。为了充满电池, 充电器提供一个等于Vcv 门限的恒定电压, 在此充电阶段, 充电电流随着时间逐渐减小, 恒定电压一直持续到充电电流降低至c/ 10 一c/15 巧, 或者安全定时器到时, 一个充电过程结束。

2 USB手机充电器电路

目前, 许多芯片公司都开发出了USB接口的锂离子电池手机充电IC。Linear Technology公司推出的单节锂离子电池充电器LTC4062符合USB总线技术规范。图3 是用LTC4062设计的USB手机充电器电路。

2.1 LTC4 O6 2 主要性能

( l) 可以用插头式( AC/DC适配器) 电压4.3V 一8V 或USB端口供电;

( 2 ) 完善的充电算法: 预设浮充电压为4.2V土0 .35 % ,在VRAT>2.9V时, 以大电流恒流ICHG=1000/Rporg充电, Ichgmax可达1A;在Vbat<2.9v 时, 实现涓流编Itrikl=Ichg/10充电; 当电池电压接近4.2V时改为恒压充电, 至IDET时终止充电;

( 3) C/5可设定Ichg及Ichg/5充电模式,以满足不同充电电源及电池容量的需要;

(4) 由TIMER端决定多种终止充电方式: TIMER接Ctimer,定时器控制在

T=3Ctimer/0.1uf* h/1时终止充电;TIMER接GND , 在充电电流小于设定电流

Idet=100/Rdet时终止充电;TIMER接Vcc, 用户根据充电状态指示来终止充电; (5 ) 充电过程指示: LED亮表示充电、LED灭表示充电终止, LED闪亮表示电池未装好或有故障。

2. 2 LTC4O62工作原理

开机后, 充电器检测电池的电压Vbat, 若Vbat<2.9V ,以Ichg/l0电流作涓流充电; 当电池电压升到3V时,涓流充电结束,以设定的Ichg恒流充电; 当电池电压Vbat上升约到4.2 v 时, 以恒压4.2 V 充电, 此时充电电流下降, 当电池充电电流降到终止充电阀值检测电流Idet。时, 终止充电( 检测充电电流终止充电方式) 。若充电电池的电压Vbat>3 V , 则直接用Ichg恒流充电, 无涓流充电阶段。

LTC4062可采用5V插头式电源或U SB 端口作电源进行充电, 若两种电源都接上, 则S V 插头式电源优先。采用5V插头式电源可提供Ichg=1000/（Rporg//R4）充电电流, 在USB端口供电时, 充电电流减小到Ichg=1000/Rporg<500mA。

2.3 主机对充电器的枚举

所有接人USB 端口的设备启动时消耗电流都不能超过10 n 1A。与主衫U左行通信后, 主机才能决定是否可以用足50 n 1A 电流。如果U SB 设备未经过枚举过程便从U SB 端口吸取大电流(超过1 个单位负载), 则主机会检测到过流状态, 并会关闭正在使用的一个或多个US B 端口。该充电器设计了一个R C 积分电路接到c/ 5 端, 解决了U SB 设备未经过枚举过程便从US B 端口吸取大电流而导致主机关闭USB 端口的难题。当U SB 端口接人充电器后, 口5端为低电平, U SB 端口的电流< lo mA, 在T = R c时间内, 主机已完成对U SB 端口的枚举,C/ 5 端为高电平, 充电器进人全电流充电。

3 结束语

USB端口是一个经济、实用的充电器电源。基于LTC4062设计的USB端口手机充电器电路符合“移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法”标准。本设计解决了USB设备未经过枚举过程便从USB端口吸取大电流而导致主机关闭USB端口的难题。但使同一个充电器为不同型号的手机充电, 仍有一些问题需要探讨: 一是USB端口最大电流为50mA,如果为大容量手机电池充电需要较长的时间, 这需要AC/ D C 适配器; 二是大部分手机电池门限电压为4.1V 或4.2V , 充电器要能自动识别并提供两种电压是相当困难的;三是充电器接口统一为USB接口,使手机的个性化设计受到一定的限制。

二、万能充电器

1 万能充电器简介

手机充电器主要按照使用的方式进行分类。手机充电器大致可以分为座式充电器、旅行充电器和车载充电器。

* 座式充电器。这类充电器一般多为慢充模式，充电时间较长，大约为4～5 小时。

* 旅行充电器。大多数手机标准配置中只有旅行充电器。旅行充电器和座式充电器对电池充电的效果是一样的。这类充

电器携带方便，对于经常出外旅行的人来说比较合适，它一般是快速充电方式，充电时间为2～3 小时，旅行充电器基本都具有充满自停的功能，对手机不会有任何不良影响。

* 车载充电器。这类充电器可以方便用户在汽车上为手机充电。其原理是采用汽车点烟器的电流电压12－24V，经“车充”内部电路进行稳压，整流滤波后，输出合适手机充电所需电压，对电池进行充电。车载充电器的一端插入点烟器，另一端连接手机，一般充电电流较大，属快速充电，一般充电时间为60－90 分钟。现在在一些大城市的主要商场、饭店、车站出现了一种给手机充电的装置，叫做“街头手机充电器”，这种装置有一人多高，分布有不同手机品牌的充电插头，只要把充电器上的小夹子往电池上一夹，再投进去一元硬币，您的手机就可以10 分钟的电，并可维持至少5个小时的待机时间。

在这里仅介绍本公司生产的万能充电器的开发，其他类型充电器开发大同小异，

不做阐述。

2 方案定向

根据客户意向，由销售部整理出客户需求的新产品方案，反馈到开发部门，由开发参与评定新产品的开发可行性，然后进行初步报价。由公司利益出发，确认是否开发立项；确认立项后，然后进行后续工作

接到立项通知后，先制作新产品基本规格要求书，写明新产品功能与性能要求及产品的外观，闪灯效果。

ID 拿到基本规格要求书后，先会绘制草图进行构思，接下来集中评选方案，确定下两三款草图，满足客户要求，这两三

款草图之间又要在风格上有差异，然后上机绘制整体构架，进行整机细化，期间MD 要尽可能为ID 提供技术上的支持，如工艺上能否实现，结构上是否出现干涉等，ID 完成整机效果图经领导筛选，最终确认的方案就可以开始转给MD 做结构建模了。

根据效果图片在外观件上进行拆件，从主到次依次制作，先按整体布局设置零件，有一点需要注意，插头一般在前端，LED 灯在后端，夹电池力的产生装置在后端（万能充，也可以横着夹，不可倒头，那样连接片容易接触到插头弹片，且在充电时，电池是向下夹，容易脱落），另外夹紧位置在前端。初步拆件在ID设计时已经基本定型，主要零件有：面壳、底壳、透明盖、PCBA 板、自攻螺丝。次要零件有：插头、压片、弹片、灯片、装饰件、铁杆、左扭簧、右扭簧、接触片、连接片、拨动帽、DC 压片、海绵(硅胶)等结构件。

三、智能手机充电器的设计

摘要

随着手机的普及，手机充电器已经成为现代家庭中常用的电器之一。虽

然手机的品牌和型号众多，各种手充电器形状和接口不同，但它们的原理和功

能基本一样，电路结构大同小异。所有手机充电器其实都是由一个稳定电源加

上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。

本论文将以单片机和充电芯片MAX1898为核心来构建一种智能充电器。

对智能充电器的软件部分的设计与研究，是本论文研究的主要任务。本论文的

重点有两方面内容:1.充电的实现；2.智能化的实现。本课题设计是一种基于

单片机的锂离子电池充电器，在设计上，选择了简洁、高效的硬件，设计稳定

可靠的软件，详细说明了系统的硬件组成，包括单片机电路、充电控制电路、

电压转换及光耦隔离电路，并对本充电器的核心器件—MAX1898充电芯片、

AT89C2051单片机进行了较详细的介绍。阐述了系统的软硬件设计。以C语言

为开发工具，进行了详细设计和编码。实现了系统的可靠性、稳定性、安全性

和经济性。

该智能充电器具有检测锂离子电池的状态；自动切换充电模式以满足充

电电池的充电需要；充电器短路保护功能；充电状态显示的功能。在生活中更

好的维护了充电电池，延长了它的使用寿命。

1 电池的充电方法

充电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90%就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。

设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方法。专用的充电芯片具备业界公认较好的—△V检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池的使用寿命。本设计要实现的是手机的单节锂电池充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力，因此选择Maxim公司的MAX1898作为电池充电芯片。针对充电器开发的电池充电管理芯片业很多，可以直接使用这些芯片进行充电器的设计。但是，充电器实现的方式不同导致其充电效果不同。由于采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。一般的，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫，电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充。设计比较科学的充电器采用专业充电控制芯片，具备业界公认较好的―ΔV检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。些芯片往往具备了充电过程控制，加上单片机对充电后的功能，还可加入关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等，就可以完成一个比较实用的充电器。

2 充电控制技术

充电有两种不同的方法，即对电池进行大电流充电和小电流充电，也就是快速充电和慢速充电。充电主要是通过快速充电来完成。本节主要说明快速充电控制技术选型和快速充电控制器件选型。

3 快速充电器介绍

快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。常用的充电电流值为0.3～2小时率电流。小时率电流值是由公式C(Ah)/t(h)规定的，其中C代表电池额定容量，t代表时间。例如用1小时率电流对5号锂电池快速充电，根据0.5(Ah)／1(h)＝500(mA)，即采用500mA的充电电流(一般慢速充电，选用10小时率电流)。

性能完善的快速充电器，其原理图如图1所示：

其中的主控电路有多种类型：

3.1定时型

对电池进行定时充电，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决定。定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电。由于定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充电器。自制时，为了充电安全，最好选大于5小时率的电流充电。

3.2电压峰值增量△V型

有的可充电电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。设计主控电路时，利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。这也称为－△V法。由于这种控制

电路比较复杂，故不适于自制。

3.3其他主控电路

主控电路除上述两种以外，还有温度监测和脉宽调制(PWM)控制电路。温度监测常用热敏电阻监测电池温度。当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。只有它复位(人工或自动)后，才能启动再次转人快速充电。

4 锂电池的充电特性

由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制方式。具体为:进入B—C段之前，电池电量己基本用完，此时采用恒定的小电流充电。当进入B—C段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，根据电压变化情况控制充电电流，使电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。

在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态；恒压充电时，保持充电电压不变。由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。

电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度的升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种终止充电的方法。

4.1定时控制

该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。这种控制方法较简单，但有其缺点：充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。

4.2电池电压控制

在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有：最高电压(VMAX)：从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是：电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己足充电。

电压负增量(－△V)：由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，因此可以比较准确地判断电池己充足电。这种控制方法的缺点是：①从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充；②镍镉电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电池的温度较高，对电池有所损害。因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。

电压零增量(△V)：锂电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0△V控制法。这种方法的缺点是：未充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，若此时误认为0△V出现而停止充电，会造成误操作。为此，目前大多数锂电池快速充电器都采用高灵敏0△V检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。

4.3电池温度控制

为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。常用的温度控制方法有：

最高温度(TMAX)：充电过程中，通常当电池温度达到40℃时，应立即停止快速充电，否则会损害电池。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。

温度变化率(△T/△t)：充电电池在充电的过程中温度都会发生变化，当电池温度每分钟上升1℃时，应当立即终止快速充电。采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，不能准确的检测电池的充足电状态。

1．综合控制法

以上各种控制方法各有其优缺点：由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电，可采用具有定时控制、温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。

锂电池是以零增量检测为主，时间、温度和电压检测为辅的方式。系统在充电过程检测有无零增量(△V)出现，作为判断电池已充满的正常标准，同时判断充电时间、电池温度及端电压，是否已超过预先设定的保护值作为辅助检测手段。当电池电压超过检测门限时，系统会检测有无零增量出现，若出现△V，则认为电池正常充满，进入浮充维护状态；在充电过程中，系统会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件。若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电方式，进入浮充维护状态。

5电池充电芯片的选择方案

本设计主要利用51单片机实现手机单节锂离子电池只能充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力。通过查阅相关资料，目前市场上常见的智能充电主要包括：MAX1898,MAX1758,SMC401.不同的芯片在控制充电过程中能力个不相同，其价格也不同，控制电路更是错综复杂，所以进行了以下对比论证对比哪种芯片更适合充电器的设计

（1）智能锂电池充电控制芯片SMC401

SMC401主要用于手机锂电池的充电器，也可以用于其他锂离子或锂聚合物电池的充电控制场合。内嵌8位MCU，提供全程的智能检测和智能控制，根据锂电池充电曲线在不同阶段进行精确恒流或恒压充电，具有电池放置检测，智能过流保护，过放电涓流预充，温度检测及保护，三色LED状态指示等功能。采用本芯片设计的充电器能够充分贴合锂电池的充电曲线在不同阶段进行精确恒流或恒压充电，并能对过放电的锂电池进行补偿充电和电气性能修护，从而提高锂电池的充电饱和度，延长锂电池使用寿命。此外，芯片还能通过补偿锂电池内阻的方式缩短充电时间。SMC401的充电分为三个阶段：预充，恒流充电及恒压充电。

（2）智能锂电池充电控制芯片MAX1758

Max1758同MAX1898一样也是Maxim公司生产的锂离子电池充电芯片，可实现智能充电，自动检测调节电流，电压，温度等参数，为锂电池提供了一种新的安全，高效的设计方案。其性能和MAX1898如出一撤，只是MAX1758用于笔记本

和一些高档仪器的电源管理芯片，功耗小，发热量小，性能稳定，但是外围电路比较复杂。

（3）智能锂电池充电控制芯片MAX1898

MAX1898配合外部PNP或PMOS晶体管可以组成完成的单节锂电池充电器。MAX1898提供精确的恒流/恒压充电。电池电压调节精度为±0.75%，提高了电池性能并延长了使用寿命。充电电流由用户设定，采用内部检流，无需外部检流电阻。MAX1898提供了用于监视充电状态的输出、输入电源是否与充电器连接的输出指示和充电电路指示。MAX1898可对所有化学类型的锂离子电池进行安全充电。电池调节电压为4.2V，采用10引脚、超薄型μMAX封装，在更小的尺寸内集成了更多的功能，只需少数外部元件。

MAX1898的基本特点如下：

①4.5V~12V输入电压范围；

②内置检流电阻；

③±0.75%电压精度；

④可编程充电电流；

⑤输入电源自动检测；

⑥LED充电状态指示；

⑦检流监视输出。

MAX1898的引脚如图2.4所示。

图2 MAX1898的引脚

MAX1898的引脚功能如下。

①IN：传感器输入，检测输入电压和电流。

②CHG：LED驱动电路。

③EN/OK：逻辑电平输入允许/电源输入“好”。

④ISET：电流调节。

⑤CT：安全的充电时间设置。

⑥RSTRT：自动重新启动控制引脚。

⑦BATT：接单个Li+的正极。

⑧GND：地。

⑨DRV：外接电阻驱动器。

⑩CS：电流传感器输入。

图2.5中的MAX1898外部电路包括：输入调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，当检测到输入电流大于设定的限流门限时，通过降低电池充电电流可达到控制输入电流的目的。因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求，同时也简化了输入电源设计。MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管，可以对单节锂离子电池进行安全有效的快充，其最大特点是在不使用电感的情况下仍能做到很低的功效耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时间限制为锂离子电池提供二次保护。

图3 MAX1898外部电路

综上所述，SMC401是一款更高级的充电控制芯片，它集成了8位MCU控制芯片，使用更加方便简洁，外设电路简单，是商家比较推崇的充电控制芯片，但基于此次需要用到单片机作为控制芯片，所以此种方案不考虑，但其制作原理值得借鉴。Maxim公司生产的锂离子电池充电芯片MAX1898和MAX1758都可以作为智能充电器的充电芯片，但MAX1898的外围电路也更简单，易于焊接，也更适合初学者的学习研究，所以，选择MAX1898作为充电芯片，AT89S51作为充电控制芯片，共同完成锂电池智能充电器的研究。

6 设计总结与展望

本设计以充电芯片MAX1898的使用为例，介绍了如何利用单片机实现智能化的手机充电器。目前，充电电池的种类繁多，因此在充电器的方案设计时需要针对不同的电池选择不同的充电芯片。本设计实现的是单节锂离子电池充电器，因此选用了MAX1898作为充电芯片。

在本设计中，需要重点把握以下几点。

（1）预充、快充、满充等充电方式的工作原理。

（2）MAX1898的充电状态指示输出信号/CHG在本设计中的应用。

（3）MAX1898外围电路的设计，其中包括设置充电电流的电阻和充电时间的电容数值的选取。

（4）如何在单片机程序中判断出充电完成还是充电出错，并作出相应的处理。

目前一些大的厂家生产的手机充电器都具有以下特点：宽范围AC输入或多个电压可选；具备限流保护，电流短路与反充保护线路设计；体积小、重量轻；自动、快速充电，充满电后自动关断等等。另外，有的充电器还有自动识别锂离子、镍氢、镍镉电池组；自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以改变参数来适应各种不同电池的充电；具有放电功能；LED 或LCD充电状态显示；低噪声；模拟微电脑控制系统等特点。

因此，设计一款真正由微电脑控制单片机控制，且价格低廉的智能控制充电器，成为各厂家努力的方向。

四、太阳能充电器的设计

1 引言

太阳能是为便携式设备供电的有吸引力的能源。一段时间以来，它一直被广泛地用于诸如计算器和航天飞机这样的应用。最近，人们正考虑把太阳能用于包括移动电话充电器这样的范围更宽广的消费电子应用。太阳能电池板所提供的功率高度依赖于工作环境。这包括诸如光密度、时间和位置之类的因素。因此，电池通常被用作能量存储单元。当来自太阳能板的电能有余的时候，就可以对电池充电；当太阳能板提供的电能不足时，电池就可以为系统供电。

目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为:①硅太阳能电池；②以无机盐如砷化镓III- V 化合物，硫化镉，铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池；③功能高分子材料(有机半导体)制备的大阳能电池；

④纳米晶太阳能电池等。我们采用的是硅太阳能电池

2 充电器的硬件设计

充电器如图1 所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等，形成了一个闭环系统。其中，单片机是电路的控制部分，PWM 电路是整个电路的核心部分。下面对系统的工作原理分几个部分进行简述。

2.1 处理器

处理器采用51 系列单片机89C51。单片机内部有两个定时器、两个外部中断和一个串口中断、三个八路的I/O 口，采用12MHz 的晶振。单片机的任务是通过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电压和电流以及电池的充电状态，通过计算

决定如何对电池板最大输出功率进行寻找以及确定充电电池的充电状态。2.2 采样部分

如果在系统中要对电流进行检测，必须先将电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D 的转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号。这种方法的优点是测量简单方便，但是这种方法当电流很小时，

影响测量准确度，因而很难选择一个合适的阻值;其次，所得到的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器，从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，可以采用电流Π电压转换芯片MAX472，克服了常规测量电流方法存在的测量范围小、测量误差大等缺点，可提高测量精度，并且可以用单片机进行精确控制。电压和电流采样采用串行模/ 数转换器TLC0834，8 位分辨率易

于和微处理器接口或独立使用满比例尺工作或用5V基准电压用地址逻辑多路器选通的4 或8 输入通道单5V 供电，输入范围0- 5V。

2.3 PWM 控制电路

控制器采用脉宽调制(PWM) 方式控制供电电流的大小PWM发生器是由的单片机输出的PWM波通过控制电路实现的，主控制器和它采用中断的方式进行通讯，控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。开关管、二极管、LC 电路构成开关稳压电源。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗，同时便于进行数字化控制，但母线的纹波系数相对较大。

3 电池充电原理

锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低使用寿命，图3 为锂电池的充电曲线，共分三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。以800mAh 容量的电池为例，其终止充电电压为4.2V。用

1/10C(约80mA)的电池进行恒流预充，当电池端电压达到低压门限V(min)后，以800mA(充电率为1C)恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近4.2V 时，改成4.2V恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为1/10C(约80mA)时，认为接近充满，可以终止充电。

4 寻找太阳能最大输出功率点

在寻找最大功率点时，我们采用比较方式来实现，具体的做法是：首先采集太阳能电池板的输出电压和电流，计算出此时的功率，然后继续采集。如图4 所示。在图4 中，C 点与B 点比较，如比B 点大或相等时，就给一个正号权位；如比B 点小时，就给一个负号权位。而A 点如比B 点大或相等时，就给一个负号权位；如A 点比B 点小时，就给一个正号权位。当三点比较完之后，如有两个正号权位则属正斜率，应当增大输出电压，提高输出功率；如有两个负号权位则属负斜率，应当减小输出电压，提高输出功率；如权位为零即为一正一负表示达到顶点，不做任何变动。在A、B、C 三点的功率值的取法为先取B点的功率为立足点，那么先读取C 点功率，再从C 点返回读取A 点功率。连续检测三点的功率值并比较其大小再计算出权位值，经由权位值来判定立足点要往C 点移动、A 点移动、或不移动。此种方法虽然运算时间比传统的扰动观察法较慢达到最大功率点以及在日照量快速变化下无法达到最大功率点，但可以降低传统扰动观察法中不明的干扰及判断错误而造成的功率损失，就整个控制效果而言是可以接受。

5 结束语

利用51 单片机作为主控制器，结合其它芯片及电路构成的太阳能手机充电器，采用PWM电压输出，具有控制灵活、带载能力强、稳定性高的优点，该充电器使用闭环控制，控制精度高、具有自我调节能力，可以自动寻找太阳能电池板的最大输出功率点提高手机电池使用效率，延长使用寿命。

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