手机充电器设计案例分析

1．方案设计本设计任务要求以AT89C51.html" target="_blank" title="AT89C51">AT89C51单片机为控制核心，基于MAX1898设计了一款手机智能充电器，实现预充、充电保护、自动断电和充电完成报警提示功能。

为了实现智能化充电，需考虑如下两方面：一是充电的实现，包括充电过程的控制和基本充电电压的产生方法；二是在充电电路中引入单片机控制，如在充电后增加及时关断电源和蜂鸣报警等功能。

设计的总体方案，由单片机最小系统、充电控制电路、5V直流供电电路和光耦隔离电路组成。为了实现智能控制，简化设计，各部分分别选用AT89C51.html" target="_blank" title="AT89C51">AT89C51，MAX1898、6N137和CW7805等集成电路。

单片机的引脚P2.1接蜂鸣器，实现声音B40D120L.html" target="_blank" title="B40D120L">B40D120L报警提示功能。单片机的引脚P2．O输出控制光耦元器件，在需要时可以及时关断充电电源。芯片LNK304与CW7805等器件共同作用将220V的输入电压转换为5V直流电压，经DN137光耦隔离后，为充电控制电路供电。充电控制电路的核心元器件为充电芯片MAX1898，其充电状态输出引脚／CHG经过74LS04.html" target="_blank" title="74LS04">74LS04反相后与单片机INTO相连，触发外部中断。

在MAX1898和外部单片机的共同作用下，实现了如下的充电过程。

(1)预充。在安装好电池之后，接通输入直流电源，当充电器检测到电池时将定时器复位，从而进入预充过程。在此期间内充电器以快充电流的10%给电池充电，使电压和温度恢复到正常状态，预充电时间由外接电容确定。如果在预充时间内电池电压达到2.5V，且电池温度正常，则进入快充过程；如果超过预充时间后，电池电压低于2.5V，则认为电池不可充电，充电器显示电池故障，由单片机发出故障指令，LED指示灯闪烁。

(2)快充。快充就是以恒定电流对电池充电，恒流充电时，电池的电压缓慢上升。

一旦电池电压达到所设定的终止电压时，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入满充过程，(3)满充。在满充过程中，充电电流逐渐递减，直到充电速率降到设置值以下，或满充超时时，转入顶端截止充电。顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池补充能量。由于充电器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电阻，尽管在满充和顶端截止充电过程中充电电流逐渐下降，减小了电池内阻和其他串联电阻对电池端电压的影响，但串联在充电回路中的电阻形成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响。一般情况下，满充和顶端截止充电可以延长电池5%～10%的使用时间。

(4)断电。电池充满后，MAX1898芯片的引脚②(／CHG)发送的脉冲电平会由低变高，这会被单片机检测到，引起单片机中断。在中断中，如果判断出充电完毕，则单片机将通过P2.0口控制光耦切断LM7805向MAX1898供电，从而保证芯片和电池的安全，同时也减小功耗。

(5)报警。电池充满后，MAX1898本身会熄灭LED显示。但是，为了安全起见，单片机在检测到充满状态的脉冲后，不会马上自动切断MAX1898的供电，而且会通过蜂鸣器报警，提醒用户及时取出电池。当电池出错时，MAX1898本身会控制LED以低频率闪烁，提示用户。

2．硬件设计1)AT89C51.html" target="_blank" title="AT89C51">AT89C51荜片机最小系统单片机最小系统以AT89C51.html" target="_blank" title="AT89C51">AT89C51单片机为核心，由单片机、时钟电路和复位电路等组成，如图9-3所示。单片机最小系统的功能是实现充电器的智能控制，如通过单片机对光耦模块的控制可以及时关断充电电源，保证芯片和电池的安全，减小功耗，同时还开启蜂鸣完成报警提示功能。

AT89C51.html" target="_blank" title="AT89C51">AT89C51单片机与MCS51系列单片机产品兼容，内部自带有4KB的Flash存储器及256KBRAM单元，不需另外扩展EEPROM及静态RAM，可以在线下载程序，易于日后的升级。

在图9-3中，P2.0为控制切断电源引脚，P2.1接蜂鸣器。当充电器完成充电时，引起单片机的INTO中断。如果在中断中，判断出不是充电出错，则控制引脚P2.0切断电源，控制引脚P2.1启动蜂鸣器报警。

时钟电路由XTAL1和XTAL2之间跨接的晶体振荡器和电容构成。时钟电路中晶体振荡器的频率高则系统的时钟频率就好，所以该系统采用11.0592MHz的晶体振荡器。

复位电路有两种形式：手动按键复位和上电复位，本系统采用的是手动按键复位。

在图9-2中，Ri、C3和Sl组成系统手动按键复位电路。

2)充电控制电路为提商陛能，充电控制电路—般采用专用芯片实现。目前，市场上存在大量的电池充电芯片，它们可以直拯拥于充电器的设计。在选择具体的电池充电芯片时，需要参考r-下标准。

电池类型：不同的电池（锂电池、镍氢电池和镍镉电池）需选择不同的充电芯片。

电池数目：可充电池的数目。

电流值：充电电流的大小决定了充电时间的长短。

充电方式：是快充、慢充还是可控充电过程。

本任务实现的是手机的单节锂离子电池充电器，要求充电快逮且具有优良的电池保护能力，据此选择Maxim公司的MAX1898作为电池充电芯片。

(1)MAX1898简介。

MAX1898是由Maxim公司出品的电池充电芯片，可对所有化学类型的锂电池进行安全充电。它具有高集成度，在小尺寸内集成更多的功能，尽可能地覆盖基本应用电路，只需辅以外部PNP或PMOS晶体管，就可以组成完整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电池的使用寿命。充电电流可由用户设定，采用内部检流电阻。MAX1898提供了充电状态的输出指示、输入电源是否与充电器连接的输出指示和充电电流指示。

MAX1898还具有其他一些功能，包括输入关断控制、可选的充电周期重启（无须重新上电）、可选的充电终止安全定时和过放电电池的低电流预充。

MAX1898内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控器。输入电流调节器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门限电流时，通过降低充电电流从而控制输入电流。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的设计。

(2)充电控制电路。

充电控制电路如图9-5所示，核心器件为充电芯片MAX1898。其中，5V直流充电电源电压从IN口输入(MAX1898输入电压范围为4.5～12V)，锂电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，为了减小体积，一般采用开关电源。充电状态输出引脚(／CHG)经过74LS04.html" target="_blank" title="74LS04">74LS04反相后与单片机P3.2口(INTO)相连，触发外部中断。LED_R为红色发光二极管，红灯表示电源接通；LED_G为绿色发光二极管，绿灯表示处于充电状态。VTi为PNP型三极管，由MAX1898提供驱动。R4为设置充电电流的电阻，阻值为2.8kC2，设置最大充电电流为500mA。Cll为设置充电时间的电容，容值为lOOnF，设置最大充电时间为3小时。

通过外接的电容Cll设置充电时间T。这里的充电时间指的是快充时的最大充电时间，它和定时电容的关系为Cll—34.33T(9-1)式中，T的单位为h，Cll的单位为nF。

大多数情况下的快充时最大充电时间不超过3小时，因此常取Cll为lOOnF。在限制电流的模式下，通过外接电阻R4设置最大充电电流j，关系为J一l400/R4(9-2)式中，R4昀单位为Q，I的单位为A。

当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程。

平均的脉冲充电电流低于设置的快充电流20%，或者充电时间超出片上预置的最大充电时间时，充电周期结束。MAX1898能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后，打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P型场效应管打开的时间越来越短。充电结束，LED指示灯将会呈现周期性的闪烁。

(2)光耦隔离电路。

基于6N137的光耦隔离电路如图9-7所示，在将+5V充电电源送给MAX1898之前，先经过一次光耦模块6N137的处理，不仅可降低电源的干扰，保持电路的稳定，还能通过单片机对光耦模块的控制及时地关断充电电源。

3．软件设计1)程序流程单片机最小系统以AT89C51.html" target="_blank" title="AT89C51">AT89C51单片机为核心，单片机、时钟电路和充电器的充电过程主要由MAX1898控制，而单片机芯片主要对电流起保护作用。所以，本软件设计较为简单，主要功能如下。

当MAX1898完成充电时，／CHG引脚会产生由低位到高位的跳变，该跳变引起单片机的INTO中断。／CHG输出为高存在3种情况：一是电池不在位或充电输入端无电压，二是充电完毕，三是充电出错（此时，实际上／CHG会以1.5Hz频率反复跳变）。

显然，前两种情况下的单片机都可以直接控制光耦切断充电电源，所以程序只要区别对待第三种充电出错的情况即可。因此，在此中断中，如果判断出不是充电出错，则控制引脚P2.0切断电源，控制引脚P2.1启动蜂鸣器报警。