摘 要

介绍一种性价比高的可对镍镉、镍氢及锂离子电池充电的多功能充电器。充电器采用单片机gms97c2051作编程控制器，其内部的比较器用作电池最高温度检测，用1片lm324和1支tl431以及若干分立元件构成恒压—恒流电路、电压检测电路、基准电压源（兼作单片机电源）电路。

关键词 充电器 恒压 恒流 电压检测

--------------------------------------------------------------------------------


1 电路组成

　　多功能充电器由基准电压源、恒压—恒流电路、电压检测电路、电池最高温度检测电路及放电电路等部分组成，电原理图如图1所示。

1.1 基准电压源

　　作为电池电压检测基准，同时作单片机电源。电路由tl431、t3、r18、r19、r20、c5组成。由电路可知，当r19=r20时，三极管t3的射极电压等于tl431内部基准电压（ur=2.5v）的两倍，即2ur=5v。

1.2 恒压—恒流电路

　　这是典型的双环反馈控制电路，图中u1a为电压控制的运放，u1b为电流控制的运放。由电路可知，电压控制的输出电压uo控制着电流控制的电流设定值，因此电压控制先于电流控制，这时电流控制电路是恒压控制的组成部分。下面分别介绍工作原理 。

　　恒压控制电路由运放u1a、电阻r1～r10、电位器w1、电容c1、二极管d1以及开关sw等组成。其作用是锂离子电池充电时，控制电池电压不超过设定值。恒压设定值us由r1、r2和w1对基准电压5v分压确定，当sw联接电池的正极后，反馈电压uc由r8、r9对ub+分压引入，加上r6、r7、c1形成pi调节电路。由电路可知,设误差电压e=ua－uc，那么有u1=ua + e·(p + i·∫dt)，式中比例系数p=r6/r7，常数i=1/ (r7·c1)。当反馈电压uc较小即e>0时，u1会不断增大直到消除误差（e=0），否则u1会达到最大值，但由于d1的钳位作用使uo＝5.6v，从而使电流控制电路的设定电压ud=uo·r12/(r11+ r12）不变，相应地电池以恒流方式充电。反之，当反馈电压uc较大即e<0时，u1会不断减小直到消除误差（e=0），否则u1会达到最小值u1=0，从而使电流控制电路的设定电压ud逐渐减小直到零，相应电池以恒压方式充电。

　　显然，恒压控制是通过调节电流控制电路的设定电压，即改变电池充电流完成的。电路主要参数由下面方程计算：

ubt=ub+－ub- (1)
(us－ua)/r3=ua/r4+(ua－ub-)/r5 (2)
当恒压控制电路处于平衡状态时，电容c1无电流，则有：
uc=r8·ub+/(r8+r9) (3)
uc = ua (4)
式中
ub+ — 电池正极对地电压；
ub- — 电池负极对地电压；
ubt — 电池端电压；
us — 设定控制电压。

　　恒压控制的目标是电池端电压等于设定电压，即
ubt = us (5)
　　另外，还隐含了一个约束条件就是恒压控制与ub-的取值无关，这就是在方程组中消去ub- 必须满足：
r3=r5 (6)
　　这里，us为确定量；其余ubt，ub+，ub－，ua，uc，r3，r4，r5，r8，r9等10个参变量应满足上述方程（1）～（6）。由于变量数比方程数多4个，因此需要确定的参数r3，r4，r5，r8，r9有无穷多组解。
　　为了求解只需要增加四个约束方程，不妨设：r3= r4=r5=r8=r（r取标称电阻值）将其代入上述方程组，不难解得：r9 =2r。取r=12kω，则有：r3= r4=r5=r8=12kω，r9=24kω。
　　当电压反馈开关sw接地（充镍电池时），或者电池端压小于设定电压即ubt<us时运放u1a饱和输出，但由于d1的钳位作用使uo＝5.6v。这时电流控制的设定值为常数（由电阻r11和r12对uo分压确定），相应地电池以恒流方式充电。
　　电流控制电路由运放u1b、调整驱动三极管t1、控制三极管t2、功率三极管tp、电阻r11～r17、rf、电容c2、c3等组成，这也是一个pi调节器。其中，r11、r12对电压uo进行分压得ud作为设定值，r13、r14、c2构成比例积分电路，运放u1b 的输出通过t1和tp控制充电电流，rf作为电流—电压反馈电阻，电压ub-为反馈电压。由于pi调节器能消除静差，因此当调节平衡时ub-=ud ，充电电流为ud/rf。
　　由以上分析不难得知，当ubt<us或sw接地时，uo为常数5.6v，若经r11和r12分压后设定值为ud=160mv，取rf=0.5ω，则恒流方式充电电流is=160mv/0.5ω=320ma。通过改变 rf的阻值，就能改变is的大小。三极管t2作控制管用，当其饱和导通时，使调整管t1截止tp也无电流输出。
　　充锂离子电池时，电压反馈开关sw接电池的正极。当电池端电压小于设定电压即ubt<us时，以恒流方式充电；当ubt=us 时，恒压控制起作用，通过降低输出uo使充电电流逐渐减小，以恒压方式充电。

1.3 电压检测电路

　　通过电压检测电路，对电池电压检测，达到识别电池充电状态以便进行控制的目的。电路由两个运放u1c、u1d、三极管t4和t5以及电阻r21～r26、电容c6、二极管d4构