CN208257482U - 一种基于单片机的充电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于单片机的充电电路，包括：单片机、第一至第三滤波电容、电感、PMOS管、偏置电阻、NMOS管、二极管、采样电阻、电池组件；所述单片机通过设置PWM管脚输出PWM波形，控制充电电路PMOS管的通断，继而控制充电器的充电电压，以及检测所述采样电阻两端的电压得到充电电流，判断充电电流是否正常；以及监测充电过程中电池的温度，根据电池的ID电阻的检测值判断电池类型。本实用新型利用单片机可编程的优点，使用非常简化的电路实现充电功能，降低物料成本和生产成本，并提高了产品的可靠性。

Description

一种基于单片机的充电电路

技术领域

本实用新型涉及单片机技术领域，特别涉及一种基于单片机的充电电路。

背景技术

很多手持终端都需要座充来充电，特别是一些对讲机，因为座充充电比线充操作起来更加方便。

目前，实现座充可以使用专用的充电芯片，也有厂商使用单片机方案实现座充功能，两者各有优缺点。

(1)使用专用充电芯片方案优点是集成度高，外围器件少，设计简单，缺点是可定制性和可扩展性差。例如指示灯的颜色定义，专用充电芯片通常提供比较简单的充电指示，不能根据用户需求定义复杂的指示灯状态。

(2)使用单片机方案集成度稍低，优点比较明显，可以根据用户的需求灵活定义充电器。可以定义丰富的指示灯颜色，可以根据不同电池的特性定义不同温度条件下的充电电流。目前多数供应商设计的座充外围器件非常复杂，摆件面积大，外围器件数量多可靠性就稍差，生产成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本实用新型的目的在于提出一种基于单片机的充电电路。

为了实现上述目的，本实用新型一方面的实施例提供一种基于单片机的充电电路，包括：单片机、第一至第三滤波电容、电感、PMOS管、偏置电阻、NMOS管、二极管、采样电阻、电池组件，其中，所述单片机的PWM控制端与所述NMOS管的栅极连接，所述NMOS管的漏极与所述PMOS管的栅极连接，所述PMOS管的源极与输入电压和第一滤波电容的一端连接，所述第一滤波电容的另一端接地，所述PMOS管的漏极与二极管的负极和所述电感的一端连接，所述二极管的正极接地，所述电感的另一端与所述第二滤波电容的一端连接，所述第二滤波电容接地，所述单片机的ADC输入端接入RC网络，所述RC网络连接在所述采样电阻的两端，所述采样电阻的一端与所述第二滤波电容一端连接，所述采样电阻的另一端连接所述电池组件，所述电池组件包括：电池电芯、负温度系数电阻、电池的ID电阻、第一上拉电阻和第二上拉电阻，所述电池电芯与所述采样电阻的另一端连接，所述负温度系数电阻的一端通过RC网络与所述单片机的ADC输入端和第一上拉电阻连接，所述电池的ID电阻的一端通过RC网络与所述单片机的ADC输入端和第二上拉电阻连接，所述单片机的电源端VCC与所述第三滤波电容相连；

所述单片机通过设置PWM管脚输出PWM波形，控制充电电路PMOS管的通断，继而控制充电器的充电电压，以及检测所述采样电阻两端的电压得到充电电流，判断充电电流是否正常；以及监测充电过程中电池的温度，根据电池的ID电阻的检测值判断电池类型。

进一步，所述RC网络包括：第四滤波电容和两个分压电阻，所述第四滤波电容的一端接所述单片机的ADC输入端连接，如果采样点的电压超出了ADC的量程，则两个分压电阻组成分压网络，调整ADC的输入电压范围使之在ADC的量程内，若采样点的电压未超出ADC的量程，则去掉一个分压电阻。

进一步，还包括：指示灯装置，所述指示灯装置包括：第一LED指示灯、第二LED指示灯、第一限流电阻和第二限流电阻，其中，所述第一LED指示灯和第二LED指示灯的一端分别与电源端连接，所述第一LED指示灯的另一端与第一限流电阻的一端连接，所述第二LED指示灯的另一端与第二限流电阻的一端连接，第一限流电阻和第二限流电阻的另一端连接所述单片机的GPIO管脚。

根据本实用新型实施例的基于单片机的充电电路，利用单片机可编程的优点，使用非常简化的电路实现充电功能，降低物料成本和生产成本，并提高了产品的可靠性。本实用新型提供的充电电路的性能满足充电功能要求的同时，兼顾物料成本和生产成本，并减小了器件的摆件面积，提高了产品的可靠性。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本实用新型实施例的基于单片机的充电电路图；

图2为根据本实用新型实施例的以4.2V锂电池为例的电池充电曲线。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

图2为根据本实用新型实施例的以4.2V锂电池为例的电池充电曲线。以4.2V1500mAh锂电池为例展示了通常情况下的充电过程，示例中的具体数值仅为直观展示，并非对本实用新型的限制。

以下充电过程均在室温条件下，电池本体的温度没有出现过热情况。

1.电池如果有短路情况，以0.05A进行激活充电；

2.当电池电压达到2V以上时，对电池进行涓流充电，电流0.15A；

3.当电池电压达到3V以上时，对电池进行恒流充电，电流1.5A，(通常可以达到1C，具体与电池特性有关)；

4.当电池电压达到标称的满电电压时，进行恒压充电(也称为浮充)，充电电压4.2V；

5.恒压充电过程中电压不变电流逐渐减小，当电流降低为恒流充电的1/10时，即可认为充电过程结束。

如图1所示，本实用新型实施例的基于单片机的充电电路，包括：单片机U1、第一至第三滤波电容(C1、C2、C3)、电感L1、PMOS管Q1、偏置电阻R1、NMOS管Q2、二极管D1、采样电阻Rs、电池组件。其中，电感L1作为开关电源的储能电感。PMOS管Q1用于开关电源的开关，偏置电阻R1用于为PMOS管Q1提供关断偏压；NMOS管Q2用于配合单片机U1PWM管脚控制PMOS管Q1的通断，二极管D1用于在开关电源过程中，在PMOS管Q1关断时起续流作用。

具体的，单片机U1的PWM控制端与NMOS管Q2的栅极连接，NMOS管Q2的漏极与PMOS管Q1的栅极连接，PMOS管Q1的源极与输入电压和第一滤波电容C1的一端连接，第一滤波电容C1的另一端接地，PMOS管Q1的漏极与二极管D1的负极和电感L1的一端连接，二极管D1的正极接地，电感L1的另一端与第二滤波电容C2的一端连接，第二滤波电容C2接地，单片机U1的ADC输入端接入RC网络，RC网络连接在采样电阻Rs的两端，采样电阻Rs的一端与第二滤波电容C2一端连接，采样电阻Rs的另一端连接电池组件。

电池组件包括：电池电芯BAT1、负温度系数电阻RNTC、电池的ID电阻RID、第一上拉电阻R10和第二上拉电阻R11。其中，电池电芯BAT1是充电的对象。负温度系数电阻RNTC的阻值会随温度变化而变化，通过分压电路测定其电压可以间接测定电池的温度。电池的ID电阻RID，阻值不同代表不同的电池，在座充上对该电阻上拉，通过测定其电压可以了解电池在位情况以及区分不同的电池。第一上拉电阻R10和第二上拉电阻R11用于与RNTC或RID分压。

电池电芯BAT1与采样电阻Rs的另一端连接，负温度系数电阻RNTC的一端通过RC网络与单片机U1的ADC输入端和第一上拉电阻R10连接，电池的ID电阻RID的一端通过RC网络与单片机U1的ADC输入端和第二上拉电阻R11连接，单片机U1的电源端VCC与第三滤波电容C3相连。

在实用新型的一个实施例中，RC网络包括：第四滤波电容和两个分压电阻(R30、R31)，第四滤波电容的一端接单片机U1的ADC输入端连接，如果采样点的电压超出了ADC的量程，则两个分压电阻组成分压网络，调整ADC的输入电压范围使之在ADC的量程内，若采样点的电压未超出ADC的量程，则去掉一个分压电阻。例如，若采样点的电压未超出ADC的量程，则可视情况去掉R31。

进一步，本实用新型实施例的基于单片机U1的充电电路，还包括：指示灯装置，指示灯装置包括：第一LED指示灯LED1、第二LED指示灯LED2、第一限流电阻R20和第二限流电阻R21，其中，第一LED指示灯LED1和第二LED指示灯LED2的一端分别与电源端连接，第一LED指示灯LED1的另一端与第一限流电阻R20的一端连接，第二LED指示灯LED2的另一端与第二限流电阻R21的一端连接，第一限流电阻R20和第二限流电阻R21的另一端连接单片机U1的GPIO管脚。其中，第一LED指示灯LED1、第二LED指示灯LED2，两个灯的颜色不同，并可以混色出第三种颜色，例如常见的是红绿双色灯。

本实用新型使用单片机U1作为主控芯片，单片机U1需要有ADC功能和PWM功能，用于通过设置PWM管脚输出PWM波形，控制充电电路PMOS管Q1的通断，监测充电电压和充电电流，并可监测充电过程中电池的温度，进一步地，可以检测电池类型，完成充电的整个过程，并可将充电状态通过指示灯显示给用户。通过单片机U1的定时器或者PWM专用管脚产生方波信号，利用该方波信号控制PMOS管Q1的通断，即可控制BUCK的输出电压，利用该电压对电池进行充电。单片机U1可以通过自身的ADC功能读取充电器输出的电压。

要实现对电池的充电，仅控制电压是远远不够的，还需要对充电电流进行监测，以便在不同的充电阶段调节电流使之符合预设的参数。充电电流的监测同样通过ADC功能完成，通过读取采样电阻Rs的压差，利用公式I＝Us/Rs即可计算得出电池的充电电流。即，由单片机U1检测采样电阻Rs两端的电压得到充电电流，判断充电电流是否正常。

此外，为了充电的安全，还需要实时监测电池的温度，根据温度的状态调节相应的充电电流。采样温度的方法是利用电池本体的NTC电阻特性——该电阻在不同温度下呈现不同的阻值。电路上使用一个上拉电阻对该NTC电阻上拉，则不同的温度下，上拉电阻和NTC电阻的分压不同，单片机U1通过ADC管脚读取相应电压，通过读取的电压可计算得出NTC电阻的阻值，再利用NTC电阻的规格书，查找事先预存的电阻与温度的映射表即可得出当前的电池温度。

为了充电的安全，以及适应不同电池的充电，充电器需要识别不同的电池，识别的方法是：不同的电池具有不同的ID电阻，同样利用电阻分压的方法通过单片机U1读取分压，反向计算ID电阻值，即可识别电池类型和对应的参数(包括电池电压和容量以及各温度段允许的充电电流等重要参数)。如在预先设定的程序中查找不到相应的电池类型，则可认为该电池是非法电池，不适用于此充电器，并通过指示灯进行报错指示。

以上在读取电池电压，充电电流，电池温度以及电池的ID电阻RID过程中都用到了单片机U1的ADC功能，为了读取到稳定可靠的电压值，通常很多厂商在ADC前端加入比较复杂的滤波网络以及π网，该设计虽然可以达到设计意图，但相应的生产成本会比较高。为解决上述问题，本实用新型硬件上在ADC输入前端只使用比较简单的1阶RC滤波，软件上采用改进的滑动平均滤波等方法得到比较真实稳定的电压值。另外，为重复使用现有的支持高通快速充电的适配器，

根据本实用新型实施例的基于单片机的充电电路及充电方法，利用单片机可编程的优点，使用非常简化的电路实现充电功能，降低物料成本和生产成本，并提高了产品的可靠性。本实用新型提供的充电电路的性能满足充电功能要求的同时，兼顾物料成本和生产成本，并减小了器件的摆件面积，提高了产品的可靠性。本实用新型可以重复利用现有的快充适配器，减少资源重复投入和浪费，减少电子垃圾。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (3)

1.一种基于单片机的充电电路，其特征在于，包括：单片机、第一至第三滤波电容、电感、PMOS管、偏置电阻、NMOS管、二极管、采样电阻、电池组件，其中，所述单片机的PWM控制端与所述NMOS管的栅极连接，所述NMOS管的漏极与所述PMOS管的栅极连接，所述PMOS管的源极与输入电压和第一滤波电容的一端连接，所述第一滤波电容的另一端接地，所述PMOS管的漏极与二极管的负极和所述电感的一端连接，所述二极管的正极接地，所述电感的另一端与所述第二滤波电容的一端连接，所述第二滤波电容接地，所述单片机的ADC输入端接入RC网络，所述RC网络连接在所述采样电阻的两端，所述采样电阻的一端与所述第二滤波电容一端连接，所述采样电阻的另一端连接所述电池组件，所述电池组件包括：电池电芯、负温度系数电阻、电池的ID电阻、第一上拉电阻和第二上拉电阻，所述电池电芯与所述采样电阻的另一端连接，所述负温度系数电阻的一端通过RC网络与所述单片机的ADC输入端和第一上拉电阻连接，所述电池的ID电阻的一端通过RC网络与所述单片机的ADC输入端和第二上拉电阻连接，所述单片机的电源端VCC与所述第三滤波电容相连；

所述单片机通过设置PWM管脚输出PWM波形，控制充电电路PMOS管的通断，继而控制充电器的充电电压，以及检测所述采样电阻两端的电压得到充电电流，判断充电电流是否正常；以及监测充电过程中电池的温度，根据电池的ID电阻的检测值判断电池类型。

2.如权利要求1所述的基于单片机的充电电路，其特征在于，所述RC网络包括：第四滤波电容和两个分压电阻，所述第四滤波电容的一端接所述单片机的ADC输入端连接，如果采样点的电压超出了ADC的量程，则两个分压电阻组成分压网络，调整ADC的输入电压范围使之在ADC的量程内，若采样点的电压未超出ADC的量程，则去掉一个分压电阻。

3.如权利要求1所述的基于单片机的充电电路，其特征在于，还包括：指示灯装置，所述指示灯装置包括：第一LED指示灯、第二LED指示灯、第一限流电阻和第二限流电阻，其中，所述第一LED指示灯和第二LED指示灯的一端分别与电源端连接，所述第一LED指示灯的另一端与第一限流电阻的一端连接，所述第二LED指示灯的另一端与第二限流电阻的一端连接，第一限流电阻和第二限流电阻的另一端连接所述单片机的GPIO管脚。