1、湖南文理學院課程設計報告課程名稱： 電子設計制作與工藝實習 課題名稱： 鋰電池充電器電路設計 系 部： 電氣與信息工程學院 專業班級： 自 動 化 10 級1班 學生姓名： 常 亮 指導教師： 王 文 虎 完成時間： 2012年6月11日 報告成績： 評閱意見： 評閱教師 日期 摘 要鋰電池充電器是專用的鋰電池充電工具，由于鋰電池大量使用，且鋰電池的價格比較昂貴，大眾對充電器的講究越來越重視；于是設計了一個穩定可靠充電模式的充電器。它由變壓器、全橋整流管、三端穩壓器和電容構成了電源單元；二極管和電阻構成電池采樣單元；由兩個不同的三極管構成恒流恒壓轉換單元；由運放器、電阻、穩壓二極管構成電池充電

2、電路的邏輯處理單元；由DW01芯片、二極管和兩個CMOS管構成保護電路。電源部分、電池采樣單元、邏輯處理單元、恒流恒壓轉換單元以及鋰電池充電器保護電路組成了安全的，且具有恒流和恒壓充電模式的充電器。經過電路單元分析計算設計出鋰電池充電器的恒流恒壓轉換的臨界電壓值；通過multisim仿真結果顯示與分析計算達到了一致。鋰電池充電電路在原來單純的恒流充模式的基礎上增加了一個恒壓充模式；然后經過計算分析，設置出鋰電池的恒流恒壓轉換的臨界電壓值；與此同時增加了一個充電器保護單元，有效的起到了過充保護作用。但在整個電池充電器電路中的一些不足還有待解決。關鍵詞：鋰電池；整流；電壓采樣；恒流恒壓模式；保護電

3、路AbstractLithium battery charger is special lithium battery tool, due to the use of lithium batteries, and the price of lithium battery relatively expensive, the exquisite pay more and more attention to the charger; Then design a stable and reliable charging mode charger. It consists of transformer,

4、 the whole bridge, the voltage stabilizer and emission three capacitance constitute the power supply unit; Diode and resistance constitutes battery sampling unit; By two different transistor constitute a constant voltage conversion unit; The op-amp device, resistance, constitute the battery voltage

5、circuit of the diode logical processing unit; By DW01 chip, diodes and two CMOS tube constitute the protection circuit. The power of the battery unit, logic, sampling the processing unit, constant voltage conversion unit and lithium battery charger protection circuit formed safe, and with constant f

6、low and constant pressure charging mode charger. After analysis to design the circuit units lithium battery charger of the constant pressure of conversion of critical voltage value; Through the multisim simulation results indicate that the calculation and analysis to the same. Lithium battery chargi

7、ng circuit in the original simple constant current filling the basis of the model of added a constant pressure filling mode; Then through calculation and analysis, set out of lithium-ion batteries constant voltage conversion of critical voltage value; At the same time added a charger protection unit

8、, effective played the overcharge protection. But in the whole battery chargers in the circuit some shortage remains to be resolvedKeywords：Lithium battery; Rectification; Voltage sampling; Constant voltage mode; Protection circuit 目 錄摘 要IAbstractII第一章鋰電池充電器方案設計11.1 緒論21.2 鋰電池充電器的設計方案21.2.1 恒流充電器設計2

9、12.2 恒流恒壓充電器設計31.3 方案分析3第二章鋰電池充電器電路設計32.1 電源單元42.2 電池采樣單元42.3 邏輯處理單元42.3.1 分析與計算42.3.2 器件介紹52.3 恒流恒壓轉換單元525 電池保護電路52.6 整體電路7第三章充電器仿真實驗73.1 仿真實驗8總 結9參考文獻10致 謝11附錄1 鋰電池充電器電路圖12附錄2 鋰電池充電器電路元器件明細表13第一章 鋰電池充電器方案設計 鋰電池一般經過涓流充，然后經過恒流充，最后進行恒壓充。但以這種充電方法對鋰電池充電短時間內不能達到需求的電量?？紤]單純的恒流充電方式對鋰電池充電器設計，雖然達到了在短時間內完成需求的

10、電量，但是易對電池造成損害；基于充電器在短時間達到需求的電量，且對電池損害不大的情況下，設計了恒流充和恒壓充兩種模式實現。設計在電壓源處采用三端穩壓器和全橋整流來保持一定的輸入電壓，然后先恒流后恒壓充電，充電過程對鋰電池兩端電壓不斷進行采樣，采樣信號經過邏輯控制器處理，實現恒壓、恒流充電自動轉換。1.1 緒論鋰電池充電器是專門用來為鋰電池充電的充電器。鋰電池對充電器的要求較高，需要保護電路，達到充電完成時自動進行過充保護，所以鋰電池充電器通常都有較高的控制精密度，能夠對鋰電池進行恒流恒壓充電，進行粗充電。當對電池充電時或者恒流充電時，LED綠燈亮；電池恒壓充時，LED紅燈亮；當電池飽和或沒充電

11、時，LED都不亮；這樣能夠粗略的顯示充電時的電量。采用了鋰電池充電器專用芯片DW01，實現過充保護功能。這種充電器的設計方案是在鋰電池單純的恒流充電模式的基礎上增加了恒壓充，同時增設了防過充電路。實現了恒流恒壓充電模式，充電過程能顯示兩種充電模式，且有過充保護性能，對電池損害少。1.2 鋰電池充電器的設計方案 單純的恒流充設計比較簡單，能夠自動的停充；它是針對于在短時間內達到需求電量的領域設計的；而恒流恒壓充是基于大眾用戶設計，它突出點是對電池損害少。圖1.1 恒流充電器流程圖電池電量采樣電池停充邏輯處理恒流充電源處理1.2.1 恒流充電器設計 單純的恒流充設計比較單純，易于控制，但不能得到較

12、高的充電量；設計采用了78系列的三端穩壓器來產生穩定的電壓，利用比較器對電池剩余量采樣的比較，然后把信息回饋給邏輯處理部分，從而對電池做出繼續充電還是停止充電做出判斷；采用CMOS管對電池充停做出決定（導通時對電池充電，截止時停止充電）。12.2 恒流恒壓充電器設計電源處理邏輯處理恒流恒壓轉換采樣電池圖1.2 恒流恒壓充電器流程圖鋰電池的恒流恒壓充電能夠在短時間的到比較理想的電量，方案采取了5個單元，電源單元，恒流恒壓單元，電池采樣單元，邏輯處理單元和保護電路；與單純的恒流不同的是恒流恒壓采用了調整管來產生恒流，起到了調電流的作用。1.3 方案分析單純的恒流充電充電速度快，設計比較簡單，但易對

13、電池造成傷害。恒流恒壓充集結了單純的恒流充，同時彌補了單純的恒流充的不足，對電池傷害少，同時能對電量的需求能粗略的顯現。由于鋰電池充電需要的精度比較高，因此保護電路是不可或缺的，這樣就有效的防止電池過充。第二章 鋰電池充電器電路設計鋰電池恒流恒壓充電采用了電源單元，電池采樣單元，邏輯處理單元，恒流恒壓轉換單元，以及電池防過充保護電路單元。電源單元是整個電路的能量供應所，為整個裝置供求必要的能量；電池采樣單元顧名思義便是對電池剩余電量進行采樣，然后回饋給邏輯處理單元；邏輯處理單元是對電池采樣單元回饋出來的信號做出邏輯處理，當電池為低電壓時（小于4.2V）；電池進行恒流充電模式，當電池達到4.2V

14、時，電池轉入恒壓充模式；而電池電量充足時，電池進入停充狀態。恒流恒壓轉換單元，在電池電量達到4.2V時，恒流恒壓轉換單元便起到作用把恒流模式轉入到恒壓模式；電池電路的保護單元是鋰電池充電器必不可少電路單元，它主要是防止電池過充對電池產生不可逆的損害。電源單元，電池采樣單元，邏輯處理單元，恒流恒壓轉換單元相互依賴，相互依存，各個單元各盡其責便組成了電池充電器電路。2.1 電源單元電源單元是各個單元的能量供應站，它由變壓器，全橋整流，三端穩壓器構成。變壓器把220V交流電變成交流15V，然后通過全橋整流把交流電變成直流電兩個有極性電容作電源的低頻濾波，此處的無極性電容作電源的高頻濾波，而三端穩壓器

15、7809把電源電壓穩壓輸出一個比較穩定的直流電壓。理論分析2端口為=9V電壓，1端口為1.2壓。 圖2.1 電源模塊 圖2.2 采樣單元 2.2 電池采樣單元電池采樣單元在整個電路作為信息的源泉，它承擔著電池剩余量的采樣，回饋給邏輯單元，邏輯單元的決策完全取決于電池采樣單元。防止電池放電，起到了保護作用，R7對電池進行采樣電阻，然后采樣電壓與基準電壓進行比較。圖2.3 邏輯處理部分2.3 邏輯處理單元邏輯處理單元是電池充電電路的中間站，每個過程都需要經過邏輯處理部分電路，它是對電池采樣單元做出邏輯決定，根據采樣值來決定電池進行的是恒流充還是恒壓充。2.3.1 分析與計算邏輯處理單元對電池采樣的

16、電壓與基準電壓比較，來決定電池的充電模式的，基準電壓通過V2管來滿足，因而V2管選擇上要達到恒流恒壓臨界電壓，采用IN5991來滿足；而運放管選用741（單集成運放）來進行比較（采樣電壓與基準電壓）；然后進行比列運算來對電壓差進行放大，R8，R10的和與R9的商即為放大的倍數，同理，R15，R12的和與R14的商為放大的倍數，輸出的電壓是否滿足恒流或恒壓模式的電壓。設采樣電壓為3V，而基準電壓為4.3V，則此時輸出電壓為V，為負值，充電模式為恒流充電模式，只有當采樣電壓稍大于基準電壓，便轉入到恒壓模式。2.3.2 器件介紹741單運放集成器任何一個集成運放都有兩個輸入端，一個輸出端以及正、負電

17、源端，有的品種還有補償端和調零端等。而741集成運放器的特點：電源端：通常由正、負雙電源供電，典型電源電壓為±15V、 ±12V等，第七腳；輸出端：只有一個輸出端。在輸出端和地（正、負電源公共端）之間獲得輸出電壓，第六腳輸入端：分別為同相輸入端和反相輸入端，第二腳為反相端，第三腳為同向端。圖2.4 恒流恒壓轉換2.3 恒流恒壓轉換單元恒流恒壓單元是電池進行的恒流模式和恒壓模式轉換的中間站，當電池低電壓在4.2V以下V6導通V7截止，電池進行恒流充電；當電池電壓在4.2V時，V7導通，V6截止，電池進行恒壓充電，V4導通，藍燈LED亮；而R4作為三端調整管的調壓電阻。25 電

18、池保護電路 鋰電池充電器保護電路是電池充電電路不可或缺的部分，它主要是防范電池過充；該電路主要由鋰電池保護專用集成電路DW01，充、放電控制MOSFET1(內含兩只N溝道MOSFET)等部分組成，單體鋰電池接在B+和B-之間，電池組從+VCC和VCC輸出電壓。充電時，充電器輸出電壓接在+VCC和VCC之間，電流從+VCC到單體電池的B+和B-，再經過充電控制MOSFET到VCC。在充電過程中，當單體電池的電壓超過4.35V時，專用集成電路DW01的OC腳輸出信號使充電控制MOSFET關斷，鋰電池立即停止充電，從而防止鋰電池因過充電而損壞。放電過程中，當單體電池的電壓降到2.30V時，DW01的

19、OD腳輸出信號使放電控制MOSFET關斷，鋰電池立即停止放電，從而防止鋰電池因過放電而損壞，DW01的CS腳為電流檢測腳，輸出短路時，充放電控制MOSFET的導通壓降劇增，CS腳電壓迅速升高，DW01輸出信號使充放電控制MOSFET迅速關斷，從而實現過電流或短路保護。器件DW01圖2.5 保護電路正常條件：如果VODL>VDD>VOCU，并且VCH<VCSI<VOI1，那么M1和M2都開啟。此時充電和放電均可以正常進行。過充電狀態：當從正常狀態進入充電狀態時，可以通過VDD檢測到電池電壓。當電池電壓進入到這充電狀態時，VDD電壓大于VOCU，遲延時間超過TOC，M2關閉

20、。釋放過充電狀態：進入過記電狀態后，要解除過記電狀態，進入正常狀態，有兩種方法。如果電池自我放電，并且VDD<VOCR，M2開啟，返回到正常狀態。在移去充電器，連接負載后，如果VOCR<VDD<VOCU，VCSI>VOI1，M2開啟，返回到正常模式。過放電檢測：當由正常狀態進入放電狀態時，可以通過VDD檢測到電池電壓。當電池電壓進入過放電狀態時，VDD電壓小于VODL，遲延時間超過TOD，則M1關閉。此時CSI管腳通過內部電阻RCSID拉到VDD。如果VCSI>VOI2，則電路進入斷電模式（電流小于0.3uA）。釋放斷電模式：當電池在斷電模式時，若連接入一個充電器

21、，并且此時VCH<VCSI<VOI2，VDD<VODR，M1仍舊關閉，但是釋放斷電模式。如果VDD>VODR，M1開啟并返回到正常模式。充電檢測：如果在斷電模式有一個充電器連接電池，電壓將變為VCSI<VCH和VDD>VODL。M1開啟并返回到正常模式。異常充電狀態：如果在正常模式下，充電器連接在電池上，若VCSI<VCH，遲延超過TOC，則M2關閉。過電流/短路電流檢測：在正常模式下，當放電電流太大時，由CSI管腳檢測到電壓大于VOIX（VIO1或VIO2），并且遲延大于TOIX（TIO1或TIO2），則代表過電流短路狀態。M1關閉，CSI通過內部電

22、阻RCSIS拉到VSS。釋放過電流/短路電流狀態：當保護電路保持在過電流/短路電流狀態時，移去負載或介于VBAT+和VBAT-之間的阻抗大于500K，并且VCSI<VOI1，那么M1開啟，并返回到正常條件。注：當電池第一次接上保護電路時，這個電路可能不會進入正常模式，此時無法放電。如果產生這種現象，使CSI管腳電壓等于VSS電壓（將CSI與VSS短路或連接充電器），就可以進入正常模式。VOCD表示過充電檢測電壓，VOCR表示過充電釋放電壓，VODL表示過放電檢測電壓，VODR表示過放電釋放電壓，VOI1表示過電流1檢測電壓，VOI2表示過電流2（短路電流）檢測電壓，VCH表示過電器檢測電

23、壓，TOC表示過充電檢測遲延時間，TOD表示過放電檢測遲延時間，TOI1表示過電流1檢測遲延時間，TOI2表示過電流2（短路電流）檢測遲延時間。2.6 整體電路充電電路是由電源單元，電池采樣單元，邏輯處理單元，恒流恒壓轉換單元，電池過充保護電路構成；電源通過變壓器降壓然后經整流管整流把交流變直流，然后經LM317三端調整管，保持輸出一個穩定的電流，即輸出電流為恒流I=1.25×(1+R3R4)+Iq；Iq為三端調整管輸出電流可忽略。圖2.6 鋰電池充電器電路第三章 充電器仿真實驗充電器電路在理論上已經過計算分析，然而在仿真上是否與理論中計算的結果一致，是在實踐中重要的一部，這就需要進

24、行仿真實驗來驗證；仿真軟件采用專用電氣電路仿真軟件multisim。觀察仿真數據變記錄，然后與理論值進行對比分析是否一致，做出最后的修訂。3.1 仿真實驗實驗目的是驗證理論值與仿真值是否一致，得出電路的最佳效果。實驗儀器有家庭電腦，multisim仿真軟件。實驗的步驟分析圖3.1 仿真結果顯示 實驗在進行仿真然后計算再仿真驗證直到一個比較理想的狀態的過程。觀察電池電壓4.2V以下時，改變電池電壓，看充電電流是否恒定不變；然后觀察電池電壓在4.2V時，電壓是否恒定不變。電池在電壓為3V在理論中為恒流充階段，根據仿真結果在3V和4V時的電流值相差不是很大可以近似為恒流。故在恒流上理論值與仿真值近似

25、相等，實驗成功。電池電壓在4.2V時的電流非常小，可判斷其為恒壓充。綜合，仿真結果與理論分析結果接近，由此，充電電路為正確電路，且具有充電特性，在4.2V以下為恒流充，在4.2V時，電池進入恒壓充。總 結該充電電路在原來的單純的恒流充中多加了一個恒壓充，使電池在充電時能夠避免一些不必要的損傷。兩種充電方案在電路元器件種類看基本一致，都有電源單元，邏輯處理單元，電池采樣單元，電池保護電路，而恒流恒壓充只都加了一個恒流恒壓轉換單元，顯然恒流恒壓充的性價比得到了提高，適合當代大眾的品味。在完成充電電路設計過程中主要采用了模擬電子技術，把各個模擬器件組成單元模塊，然后通過這些單元組成整個充電電路。仿真

26、中由于無法對電池內部電阻準確的計算以及沒有變壓器元件，因而帶來大量的不便，事實中電池內部電阻是變化的，而在仿真時，人為的把電池內部電阻值作為不變值，故在仿真時帶來了誤差；由于沒有變壓器元件，在仿真時躲避了對電源單元的仿真，只是在理論上把該部分電路的作用作為主觀想法。在整體上，電路滿足恒流恒壓充的轉換條件，驗證了電池充電電路的恒流恒壓充的功能。但還存在一些不足，在充電過程中設置的恒流充的電流還是較小，不能快速充；同時電池在充足時不能自動的停充，有在充滿電時，有倒放的不足，另外在邏輯處理單元的穩壓二級管要求比較高穩壓值誤差不能超過0.1V。未來中在恒流充部分增大電流，同時需要把倒放的不足彌補，讓電

27、池在充電過程中可靠自動的停充。參考文獻1康華光，陳大欽.電子技術基礎模擬部分M.華中科技大學電子技術課程組.2魏海明，楊興瑤.實用電子電路500例M.化學工業出版社，2003.112137.3李響初，闕愛仁，李喜初.實用電子控制線路200例M.中國電力出版社，2009.188207.4孫俊人.通用模擬電路M.中國計量出版社，2001. 2122,154170.致 謝經歷這個課程設計，感受到設計的艱辛與收獲；在設計過程中領悟到模擬電路的一些單元電路的作用及用法，以及一些模擬電路的元器件在電路中的作用。理解并掌握了鋰電池的充電過程。在這里我首先要感謝自己的父母，是他們給予了我們的生命，給予了關照和撫養，是他們教育我們學習的真諦。然后需要感謝的是文理學院給予了我們學習氛圍，給予了我們一個學習深造的平臺，以及學院給我們