微控制器之應(yīng)用-電池充電器

劉溫良

內(nèi)容標(biāo)題導(dǎo)覽：｜前言｜電池與充電器｜HT46R47微控制器應(yīng)用實(shí)例｜

前言

由於目前無線通信的盛行，在臺(tái)灣幾乎人手一隻大哥大，除了帶來了便利之外，也帶來了不少的商機(jī)，除了手機(jī)的製造商之外，另外一個(gè)與手機(jī)相關(guān)的商機(jī)就是大哥大的充電器。尤其無線上網(wǎng)的趨勢(shì)，已經(jīng)開始醞釀中，已有不少的手機(jī)，增加了無線上網(wǎng)的功能，更造成大哥大的普及與流行，因此充電電池及充電器需求量也逐漸的增加。另外一方面，手持裝備的流行，如PDA, MP3隨身聽，數(shù)位相機(jī)等，需要大量使用電池，所以可重複使用的充電電池就顯得十分重要，所以本文將介紹充電電池的特性，及介紹如何製作一個(gè)快速充電的充電器。 

由於盛群半導(dǎo)體目前發(fā)表一顆專為充電電池充電器所設(shè)計(jì)的微控制器，該產(chǎn)品編號(hào)為HT46R47，對(duì)於目前市面上的大哥大鎳鎘，鎳氫及鋰充電電池或是一般隨身聽， PDA等使用電池的產(chǎn)品，都可以使用此產(chǎn)品開發(fā)該充電電池之快速充電器。本文也順便介紹此顆微控制器的功能給讀者，並以此探討鎳隔，鎳氫及鋰電池充電器的原理及實(shí)做方案，盼望讀者能讀完此篇文章之後，能夠自行設(shè)計(jì)自己所需要的充電器，也能了解及判別目前市面上充電電池及充電器的優(yōu)劣。

HT46R47的主要規(guī)格如表一所示︰

HT46R47這顆微控制器，在盛群半導(dǎo)體公司主要定位，雖然是在充電器專用的微控制器上，但就其整個(gè)功能來說，精簡(jiǎn)且多樣的功能，對(duì)於其他方面的應(yīng)用也非常適合，就算只拿來做一個(gè)簡(jiǎn)單的9位元ADC控制器，也是非常方便的一個(gè)應(yīng)用方案，只要有用到ADC且所需的I/O數(shù)又不需要太多的產(chǎn)品，非常適合用這顆微控制器開發(fā)其產(chǎn)品。尤其是對(duì)於電源雜訊的處理，該微控制器擁有極佳的抗雜訊能力，非常適合家電產(chǎn)品的應(yīng)用﹔內(nèi)含的PWM輸出功能，用來做電流，電壓控制是非常適宜的。

電池與充電器

現(xiàn)在就先介紹市面上常見的充電電池，有鎳鎘﹑鎳氫及鋰充電電池三種，其容量單位是mAh，例如充電電池500mAh，代表電流輸出500mA，可以連續(xù)使用1小時(shí)，如果電流50mA，那就是可以使用500mAh/50mA=10h，所以可以使用十小時(shí)。所以選擇容量愈大的充電電池，則相對(duì)的使用時(shí)間也就愈久，但是為了達(dá)到充電電池的使用效率，使用充飽的充電電池，相對(duì)的也就愈經(jīng)濟(jì)劃算。所以有一個(gè)能快速充電，且能在電池充飽時(shí)自動(dòng)檢知的充電器就非常重要。為了在1小時(shí)快速充電完畢，相對(duì)的充電電流就必須要500mAh/1h=500mA，一般稱500mAh容量的電池，充電電流500mA稱為1C。鎳鎘﹑鎳氫充電電池，若沒有完全放電之後再充電，幾次之後電池的容量便減少，此種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng)。鋰電池則沒有記憶效應(yīng)，所以鋰電池在沒有放電完全之後就充電，也不會(huì)影響電池的容量。

在鎳鎘﹑鎳氫及鋰電池的充電過程中，如何檢知電池已經(jīng)充電完畢是重要的一件事，如果無法知道電池已經(jīng)充飽，則充電過程就會(huì)無法自動(dòng)停止，很容易就把電池充壞，也容易發(fā)生危險(xiǎn)，以下就介紹鎳鎘﹑鎳氫及鋰電池充電完成的檢知方式：

首先定義幾個(gè)名詞 

V_BAT: 電池的電壓，每一次所量測(cè)到的新電壓與與前3次的算數(shù)平均 

V_MAX: 為電池電壓高之**值 

V_PEAK: V_BAT 之大值 

ΔV : V_PEAK－V_BAT 

鎳鎘及鎳氫電池充飽的檢知方式是一樣的，共有以下幾種方式來做充電電池充飽完成的檢知方式：

1: 利用ΔV的檢知方式：在電池充飽時(shí)，電池電壓會(huì)下降，若是偵測(cè)電池連續(xù)下降10mV 8次(ΔV > 10mV 8次)，則認(rèn)定充電已經(jīng)完成。 

2: 利用V_PEAK 檢知方式 : 在一分鐘之內(nèi)V_BAT＜V_PEAK成立，只要V_BAT≧V_PEAK時(shí)，1分鐘的時(shí)間就必須重新計(jì)算。 

3: V_MAX方式 : V_BAT到達(dá)V_MAX，我們就認(rèn)定電池已經(jīng)充電完畢。 

4: Safe Timer : 只要充電時(shí)間大於我們指定的時(shí)間，我們及認(rèn)定充電結(jié)束。 

5: 利用電池充飽時(shí)，溫度會(huì)上升的特性，來當(dāng)作電池充飽的依據(jù)。

鋰電池充飽的檢知方式，有以下幾種方式來做充電電池充飽完成的檢知方式：

1: 利用鋰電池在充電完成時(shí)電壓會(huì)維持在4.1V的特性，首先以定電流1C充電，當(dāng)電池電壓等於4.1V時(shí)，則改以定電壓4.1V充電，若是電壓大於4.1V，則減少充電電流，若是電壓大於4.1V，則充電電流不變，直到偵測(cè)充電電流小於0.1C時(shí)，就表示鋰電池已經(jīng)充電完成。 

2: V_MAX方式 : V_BAT到達(dá)V_MAX，我們就認(rèn)定電池已經(jīng)充電完畢。 

3: Safe Timer : 只要充電時(shí)間大於我們指定的時(shí)間，我們及認(rèn)定充電結(jié)束。

鎳鎘、鎳氫及鋰電池快速充電的限制必須在充電電池電壓大於2.5V，才可以做快速充電，在電壓小於2.5V時(shí)，我們先以0.1C充電，等到電池電壓大於2.5V時(shí)我們才以1C電流做快速充電。 

當(dāng)充電電池置入時(shí)，我們也需要能做自動(dòng)檢測(cè)電池的功能，其做法是每隔一段時(shí)間，就去偵測(cè)電池座的電壓是否大於0.3V，若是小於0.3V則表示未置入電池，若是大於0.3V則表示偵測(cè)到電池已經(jīng)置入，則準(zhǔn)備開始對(duì)該充電電池充電，充電電池在 STANDY BY，因?yàn)橥瑫r(shí)只有一組電池可以充電，所以必須依序?qū)?/span> STANDY BY的電池充電。在電池充電完成時(shí)，只要在電池未取下，就不將充電電池設(shè)為 STANDY BY，避免重複對(duì)以充飽的電池充電。 

鎳鎘及鎳氫充電電池放電時(shí)，我們以0.1C電流放電，當(dāng)電池電壓放到低於2.2V時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)，鋰電池則無須放電。

鎳鎘及鎳氫電池充電曲線說明如下圖

1: 若是充電電池電壓小於0.3V時(shí)，則不做充電，當(dāng)電壓大於0.3V時(shí)，則以0.1C定電流充電，當(dāng)電池充電到2.5V時(shí)，則以1C定電流充電，當(dāng)偵測(cè)有VPEAK現(xiàn)象或是ΔV發(fā)生時(shí)，則表示電池已經(jīng)充飽。 

2: 若是充電電池電壓大於V_MAX，(V_MAX＝4.8V)，則表示充電電池電壓過大，原因可能為使用者放錯(cuò)電池，充電器停止充電，避免發(fā)生危險(xiǎn)。 

3: 若是充電時(shí)間到達(dá)80分鐘，則表示電池容量太大，必須要充超過80分鐘以上才會(huì)充飽，還有一個(gè)原因是電池特性不好，沒有偵測(cè)到V_PEAK現(xiàn)象或是ΔV，但是電池已經(jīng)充飽，設(shè)定充電時(shí)間到達(dá)80分鐘停止充電，也有避免電池因過度充電，而損害電池及預(yù)防危險(xiǎn)的一個(gè)保護(hù)措施。

鋰電池充電曲線說明如下圖

1: 若是鋰充電電池電壓小於0.3V時(shí)，則不做充電，當(dāng)電壓大於0.3V時(shí)，則以0.1C定電流充電，當(dāng)電池充電到2.5V時(shí)，則以1C定電流充電，當(dāng)電壓到達(dá)4.1V時(shí)，則以定電壓4.1V對(duì)鋰電池充電，充電電流此時(shí)會(huì)慢慢下降，當(dāng)充電電流小於0.1C時(shí)，則表示電池已經(jīng)充飽，停止對(duì)鋰電池充電。 

2: 若是充電電池電壓大於4.8V，則表示充電電池電壓過大，原因可能為使用者放錯(cuò)電池，充電器停止充電，避免發(fā)生危險(xiǎn)。 

3: 若是充電時(shí)間到達(dá)80分鐘，則表示電池容量太大，必須要充超過80分鐘以上才會(huì)充飽，還有一個(gè)原因是電池電壓充不上去，設(shè)定充電時(shí)間到達(dá)80分鐘停止充電以避免危險(xiǎn)。

HT46R47微控制器應(yīng)用實(shí)例

以下就對(duì)於該微控制器做一個(gè)簡(jiǎn)單扼要的說明，我們先看此微控制器的方塊圖﹕

以下為該微控制器腳位圖

從整個(gè)方塊圖及腳位圖，我們就可以大略了解此顆微控制器所提供的功能: 

一: HT46R47使用盛群半導(dǎo)體的8位元精簡(jiǎn)指令集微控制器，內(nèi)含63個(gè)功能強(qiáng)大的精簡(jiǎn)指令，有6層硬體做成的堆疊(STACK)，在呼叫副程式時(shí)，可以呼叫到6層之多。內(nèi)建一個(gè)看門狗計(jì)時(shí)器(WDT)，可以預(yù)防微控制器誤動(dòng)作時(shí)，將微控制器重新RESET，一個(gè)低電壓偵測(cè)器(LVR)，當(dāng)電壓過低時(shí)，會(huì)自動(dòng)將微控制器RESET，避免微控制器的誤動(dòng)作。程式記憶體(PROGRAM MEMORY)的空間有2K可以使用，對(duì)於寫程式來說，有很大的應(yīng)用空間，另外也提供OPTION ROM，提供OPTION在燒錄的時(shí)候，視需求來選擇哪一種功能，內(nèi)建有64 bytes的資料記憶體(DATA MEMORY)空間，在中斷部分提供了三種中斷，外部中斷接腳的中斷，內(nèi)部計(jì)時(shí)器或外部計(jì)數(shù)器的中斷，還有一個(gè)是9位元ADC的中斷。 

二: 輸入數(shù)出腳共有13根，其中PA有8根，PB有4根，PD有1根，其中PA3與PFD輸出共用接腳，PA4與外部計(jì)數(shù)器輸入腳共用，PA5與外部中斷輸入腳共用，PD0與PWM輸出共用接腳，PB0~PB3與ADC類比輸入腳AN0~AN3共用﹔其中PA3與PFD輸出功能共用，PD0則與PWM共用，是由燒錄程式時(shí)，由OPTION項(xiàng)目所選擇的，我們也可以只選擇使用一般的I/O功能就好。PA4當(dāng)外部計(jì)數(shù)器輸入腳時(shí)，PA4必須設(shè)為輸入腳，PA5當(dāng)外部中斷輸入腳時(shí)， PA5也必須設(shè)為輸入腳。至於PB0~PB3與AN0~AN3 ADC類比訊號(hào)輸入，可以由軟體選擇要當(dāng)類比或是數(shù)位訊號(hào)輸入。 

三: 8位元的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器輸入，可以選擇由外部計(jì)數(shù)器輸入腳輸入，或是選擇內(nèi)部計(jì)時(shí)器當(dāng)計(jì)時(shí)的參考頻率。由系統(tǒng)頻率經(jīng)過一個(gè)預(yù)除器，可以選擇8個(gè)參考計(jì)時(shí)頻率給8位元的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，這8個(gè)計(jì)時(shí)頻率，從系統(tǒng)頻率到系統(tǒng)頻率除以128。選擇適當(dāng)?shù)念l率給計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，使用可以較彈性。另外PFD的輸出頻率，也是由8位元計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器來控制，PFD的頻率為8位元計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器溢位的頻率除2，假設(shè)8位元計(jì)時(shí)記數(shù)器的輸入為1μ秒，假設(shè)我們?cè)O(shè)定8位元計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器內(nèi)容為6，則計(jì)數(shù)250次就會(huì)發(fā)生溢位，則PFD輸出的週期為 1μ秒×(256－6)×2=500μ秒， 所以PFD的頻率為 1/500μ秒 = 2kHz ，由以上可知只要設(shè)定8位元計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的頻率，就可決定PFD的輸出頻率。 

四：提供PWM之功能，對(duì)於電流的控制提供一個(gè)佳的解決方案，電流的控制可以參考HT46R47規(guī)格書上所附錄的應(yīng)用線路如下

PD0/PWM接腳輸出串聯(lián)一個(gè)電阻及電容接到一個(gè)NPN電晶體，來控制上面PNP電晶體是否導(dǎo)通，在PWM輸出高準(zhǔn)位時(shí)，NPN及PNP皆在導(dǎo)通的狀態(tài)，12V電壓對(duì)電感充電。當(dāng)PWM輸出低準(zhǔn)位時(shí)，NPN及PNP皆在不導(dǎo)通的狀態(tài)，12V電壓不對(duì)電感充電，電感經(jīng)由蕭特基二極體放電。當(dāng)控制PWM輸出的DUTY，可以讓電感儲(chǔ)存的電流能量，維持在一定的大小，由此來做定電流控制。 

當(dāng)使用PWM功能時(shí)，需要在OPTION選項(xiàng)選擇使用PWM功能，當(dāng)寫入PWM 暫存器之?dāng)?shù)值改變時(shí)則PWM輸出之DUTY隨之改變，該注意的是，PWM之頻率是不可調(diào)整，其頻率是固定系統(tǒng)頻率除以64(其PWM輸出是(6+2)模式，其定義為PWM輸出之頻率為一般輸出的4倍，其原理為將 PWM輸出分為四段，輸出低準(zhǔn)位的部分及輸出高準(zhǔn)位的部分，平均各分為四段，若是無法分為四段的餘數(shù)，就補(bǔ)在其中的一段。)，若是要改變PWM之頻率，只能改變系統(tǒng)頻率來改變PWM之頻率。要讓PWM之輸出由PD0/PWM輸出，必須將PD0輸出設(shè)定為輸出腳，且必須寫1到PD0暫存器的位置，寫0會(huì)讓PD0/PWM接腳，輸出在LOW的狀態(tài)。 

請(qǐng)看下圖的說明:

五：4通道的9位元ADC，提供4個(gè)類比訊號(hào)的輸入與I/O接腳共用，使得產(chǎn)品的開發(fā)更具有彈性，ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)脈來源有三個(gè)選擇，可以依實(shí)際需求的ADC轉(zhuǎn)換速度來使用，若是只需要8位元的ADC，也可以直接當(dāng)成8位元的ADC來使用，而不需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換。

一般在做ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，需注意到在轉(zhuǎn)換時(shí)電源的處理，輸出腳盡可能不要改變，以防止在ADC轉(zhuǎn)換受到干擾時(shí)造成誤差，在ADC轉(zhuǎn)換完成之後再恢復(fù)原來的狀態(tài)，在電源及ADC類比訊號(hào)輸入腳位加上一個(gè)RC濾波電路，是解決ADC轉(zhuǎn)換受雜訊干擾而產(chǎn)生誤差的有效解決辦法，一個(gè)電阻加上一個(gè)電容的低階濾波器，應(yīng)是一個(gè)常用簡(jiǎn)單又有效的解決辦法，在PCB板上的LAYOUY需注意電源與地線的拉線和ADC 類比訊號(hào)輸入的拉線，要避免受到雜訊的干擾，建議在VDD與VSS接一個(gè) 0.1μF的電容，來減低電源雜訊的干擾。 

盡可能以滿足規(guī)格的慢速度來做ADC轉(zhuǎn)換，ADC 時(shí)脈來源選擇1MHz以下，可有較好的精確度，ADC的轉(zhuǎn)換特性與ADC時(shí)脈的速度有關(guān)，速度愈快轉(zhuǎn)換的精確度比轉(zhuǎn)換速度慢的精確度較差。

介紹完盛群半導(dǎo)體公司的微控制器之後，我們就以其產(chǎn)品的規(guī)格書上的一個(gè)應(yīng)用線路，來做一個(gè)2組2顆鎳氫，鎳鎘電池快速充電器或是鋰充電電池的快速充電器，規(guī)格如下：

1: 雙槽充電器

2: 兩個(gè)DIP SW;

3: 每一槽由兩個(gè)LED燈代表其狀態(tài);

一 原理 : 在做電池充電器之前，我們先瞭解各種充電電池的特性，其中鎳鎘及鎳氫電池充飽時(shí)，有幾個(gè)判斷的依據(jù)，一個(gè)是電池電壓會(huì)瞬間下降，一是電池溫度會(huì)上升，電池溫度上升，因?yàn)橹茉猸h(huán)境溫度變化不同，而有可能產(chǎn)生誤判，所以我們以電池電壓瞬間下降，來做電池充飽的依據(jù)，是較可靠的一種方法。我們又加上定時(shí)的保護(hù)，只要超過80分鐘沒有充飽，我們也停止充電，以防止過度電而損害電池。鋰電池充飽時(shí)，電壓會(huì)維持在4.1V，所以我們以鋰電池在4.1V時(shí)，以定電壓充電，充電電流小於50mA來當(dāng)鋰電池充飽的依據(jù)，同時(shí)也加上定時(shí)的保護(hù)，只要80分鐘沒有充飽，我們也停止充電。 

若是以鎳氫鎳鎘電池充電，還需要一個(gè)開關(guān)來表示在充電之前是否要放電，偶爾以先放電方式再充電，可以消除電池的記憶效應(yīng)。鋰電池則沒有記憶效應(yīng)，所以可不放電，直接充電，以鎳氫鎳鎘電池充電，必須串聯(lián)兩顆電池，否則無法正常充電。

二 充電電流 : 以500mA 快速充電及50mA 慢速充電，以電池電壓是否大於2.5V來做分隔，充電電池電壓若大於2.5V 則以500mA 做快速充電，若是充電電池小於2.5V 則以50mA電流充電，等充到電壓大於2.5V時(shí)再以500mA電流充電。充電電流的控制方式，可以以HT46R47的PWM功能再加上一個(gè)類比轉(zhuǎn)數(shù)位電壓輸入腳位，來做一個(gè)定電流的控制功能。

三 應(yīng)用線路分析，我們對(duì)照充電器的電路分析如下： 

對(duì)電池0充電時(shí)，需將電池0放電電路關(guān)掉，並將電池1之充電及放電電路關(guān)掉。 LED顯示對(duì)電池0充電的狀態(tài)，PD0 輸出PWM 訊號(hào)，藉由PB2/A2的電壓值，算出對(duì)充電電池0充電的電流，若是得到的電流，小於我們?cè)O(shè)計(jì)的充電電流，則可以增加PWM值，來增加對(duì)電感的電流，相對(duì)的對(duì)電池0充電的電流也會(huì)增加。若是得到的電流大於我們?cè)O(shè)計(jì)的充電電流，則可以減少PWM值，來減少對(duì)電感的電流，相對(duì)的對(duì)電池0充電的電流也會(huì)減少。一直控制電流在我們?cè)O(shè)計(jì)的範(fàn)圍之內(nèi)，維持定電流充電。至於控制50mA或是500mA電流充電，其原理都相同，只是PB2/AN2的電壓值和PWM值不同而已。 每充電1秒，放電10m秒，然後偵測(cè)電池0的電壓，每次得到的電壓都和之前的三組電壓作平均，然後在判斷電池是否充飽，充飽時(shí)停止充電，並顯示充飽訊息，沒充飽就繼續(xù)充電。 

對(duì)電池0放電時(shí)，需將電池0充電電路關(guān)掉，並將電池1之充電及放電電路關(guān)掉。 LED顯示對(duì)電池0放電的狀態(tài)，一直放電，放到電池0的電壓小於2.2V，就去執(zhí)行電池0充電的動(dòng)作。 電池1的動(dòng)作與電池0充電的動(dòng)作類似，可以以同樣的流程來做。鋰電池的充電方式除了不需放電及充飽的依據(jù)不同之外，其他動(dòng)作與鎳鎘鎳氫電池充電方式大同小異。 

四：4個(gè)LED及2個(gè)開關(guān)的輸入，可以用其他未使用的I/O接腳來做，計(jì)時(shí)器可以用來做V_PEAK 維持1分鐘的計(jì)時(shí)及充電時(shí)間80分鐘的計(jì)時(shí)。系統(tǒng)頻率為4MHz RC 震盪器。

五：在做充電器之前，我們先要選擇使用HT46R47的哪些功能： 

PB0/AN0 : 充電電池電壓，槽的輸入腳，使用當(dāng)作類比ADC輸入的功能。 
PB1/AN1 : 充電電池電壓，**槽的輸入腳，使用當(dāng)作類比ADC輸入的功能。 
PB2/AN2 : 充電時(shí)充電電池的偵測(cè)，使用當(dāng)作類比ADC輸入的功能。 
PB3/AN3和PA7 : 兩個(gè)輸入開關(guān)，使用當(dāng)作數(shù)位輸入的功能。 
PA4，PA5和PA6 : 以掃描方式做4個(gè)LED燈顯示，使用當(dāng)作輸出的功能。 
PA0 : 控制對(duì)**槽的電池充電，由一個(gè)電晶體做開關(guān)，使用當(dāng)作輸出的功能。 
PA1 : 控制對(duì)槽的電池充電，由一個(gè)電晶體做開關(guān)，使用當(dāng)作輸出的功能。 
PA2 : 控制對(duì)槽的電池放電，由一個(gè)電晶體做開關(guān)，使用當(dāng)作輸出的功能。 
PA3 : 控制對(duì)**槽的電池放電，由一個(gè)電晶體做開關(guān)，使用當(dāng)作輸出的功能。 
PD0/PWM : 控制充電電流的大小，由一個(gè)電晶體做開關(guān)，使用當(dāng)作PWM輸出的功能。 
TIMER : 計(jì)時(shí)每0.04秒中斷一次，做計(jì)時(shí)及掃描顯示LED。 
看門狗計(jì)時(shí)器*(WDT) : 避免程式執(zhí)行錯(cuò)誤做一個(gè)保護(hù)的動(dòng)作。 
低電壓重置功能啟動(dòng) : 只要電壓小於3V 微控制器就不動(dòng)作。 
系統(tǒng)頻率選擇RC震盪器的方式 : OSC1 接一個(gè)75kΩ的電阻到地，頻率約4MHz。

實(shí)做的充電器電路如下:

以上對(duì)充電器微控制器就簡(jiǎn)單介紹到此，希望對(duì)讀者能對(duì)充電器的原理及製作有些助益。

作者： 劉溫良 
畢業(yè)於逢甲大學(xué) 電子工程學(xué)系 
目前服務(wù)於 盛群半導(dǎo)體 微控制器應(yīng)用部