(完整版)3V电池充电器的电路毕业课程设计

序言

社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。在人们的生产、生活中，各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，与人们的工作、生活的关系日益密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系统来处理和存储。而各种用电设备都离不开可靠的电源，如果在工作中间电源中断，人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失。

对于由交流供电的用电设备，为了避免出现上述不利情况，必须设计一种电源系统，它能不间断地为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源。为此，以安全和操作为目的的备用电源设备上都使用充电电池。这样，即使电力网停电，也可利用由充电电池构成的安全和操作备用电源，从容地采用其他应急手段，避免重大损失的发生。而对于采用充电电池供电的用电设备，从生产、信息、供电安全角度来说，充电电池在系统中处于及其重要的地位。特别是镍氢电池具有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。基于这些特性，所以镍氢电池得到了迅速的发展和广泛的应用。

镍氢电池充电器是为镍氢充电电池补充能源的静止变流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。

本论文从充电器的结构和要求，充电器的原理，充电器的电路设计，3v镍镉电池充电过程以及充电器保护等方面，多角度地阐述了充电器技术发展和应用。

由于本人水平有限，论文中难免存在疏漏之处，敬请老师批评指正。

第一章充电器的简介

充电器通常指的是一种将交流电转换为低压直流电的设备。充电器在各个领域用途广泛，特别是在生活领域被广泛用于手机、相机等等常见电器。充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景。

充电器有很多，如铅酸蓄电池充电器、镉镍电池充电器、镍氢电池电器、锂离子电池充电器、便携式电子设备锂离子电池充电器、锂离子电池保护电路多功能充电器、、车充电器等。

1.1充电器的构成及分类

1.1.1充电器的构成

1、外壳

2、输入线、输出线

3、线路板、散热片、各种电子元器件（电容、电阻、单片机、光藕、MOS管、二级管、三级管、开关管

图1-1

1.1.1充电器的分类

1.充电器按能源使用方式分类

普通充电器：用普通家庭用电等通过变压器提供能源。

太阳能充电器：利用太阳能面板收集太阳能。

线充电器：利用电磁耦合等原理。

手摇充电器：利用人力。

2.充电器按使用产品的种类分类

手机充电器、笔记本充电器、电动车充电器、大型充电机等、相机充电器、电动玩具充电器。

3.充电器按使用方式分类

高级商务充：商务旅行充电器，充电速度快而且十分安全，价格较一般充电器稍高。

座式充电器：外型独特、新颖美观、携带方便，适充容量mAH的锂离子(LI-ION)镍氢(NI-Mh)手机电池充电，内置智能识别电路，能自动转换充电器输出极性以适用电池正负极，充电效果极佳，是家居旅行时手机的理想伴侣。

USB充电器：带USB输出接口，保给MP34、数码相机等充电。

线式充电器：一般手机的直充。

车载充电器：以车上通用电源为供电装置的充电器。1.3充电器的结构框图

早期的充电器是没有处理器的,它主要由充电器集成电路及电源部分组成，其内部结构较复杂，引脚也较多。一般的功能较完善的充电器结构框图如图1-2 AA线右边所示。

图1-2充电器结构框图

第二章充电器电路设计

2.1电池充电控制芯片的选择

2.1.1 MAX846A芯片的简单介绍

1.MAX846A的引脚功能

Maxim公司生产的MAX846A是一种低成本、多功能的电池充电控制器，采用16引脚的QSOP封装形式，可对锂电池、镍氢电池、镍镉电池进行充电。MAX846A的引脚排列如图4-1所示，

主要引脚功能如下：

① DCIN ：外部直流电源输出端，3.7～20V 。

② VL ：3.3V 、20mA 、1％线形调节器输出端。

③ CC1：电流调节环补偿端。

④ CCV ：电压调节环补偿端。

⑤ VSET ：悬浮电压参考调整输入端。

⑥ ISET ：电流设置输入及监控端。

⑦ OFFV ：电压调节环禁止端。

⑧ CELL2：编程充电电源数目端。

⑨ BATT ：电池输入端。

⑩ CS ＋：电流源放大器高压输入端。

○

11 CS －：电流源放大器低压输入端。

图2-1 MAX846A 的引脚排列图

12 DRV：外接三极管基准门控输入端。

○

2.MAX846A的内部结构

MAX846A多功能电池充电控制器由3.3V高精度、低压差线性稳压电源以及高精度电压基准源、电压电流调节器三部分构成。线性稳压电源输出电压VL为基准电压的两倍，可为外部负载提供20mA的电流。低压差稳压电源有短路保护功能，PWROK(Power-OK)为微控制器提供复位信号并可控制镍氢电池的充电电流。

高精度电压基准源为镍氢电池提供精确的浮充电压，它与一个精度为2%的20k电阻相连接，使浮充电压可以通过一外部电阻进行设置。外部电阻应具有1%的精度，因为外部电阻直接影响浮充电压的精度，而浮充电压的精度直接对镍氢电池的寿命及容量产生影响。

电压电流调节器由高精度衰减器、电压环路、电流环路和电流检测放大器组成。通过对衰减器的设置使输出电压稳定在一节镍氢电池电压或两节镍氢电池电压的水平。电流检测放大器用于检测镍氢电池的高端电流，它实际上是一个跨导放大器，可将外部限流电阻RCS两端的电压转换成电流，并将此电流作用于外部负载电阻RISET的低端电压增大或减小ISET端的电流

调节充电电流。电压和电流环路分别由连接在CCV和CCI端的外部电容进行补偿校正，两个环路的输出通过逻辑“或”后，驱动一只漏极开路的沟道MOS场效应管构成的有源负载。采用MAX846A芯片设计的充电器的外部电路，由P沟道MOS场效应管或PNP晶体管调整器件与零件构成。

2.1.2 MAX712芯片的结构特点与编程方法

MAX712系列是Maxim公司生产的快速充电管理芯片，MAX712在检测到dudt变为零时终止快速充电模式，而MAX713是在检测到dudt变为负值时终止快速充电模式。MAX712和MAX713都通过适当的设置给1～16节镍氢电池充电，具有线性或开关模式功率控制功能。对于线性模式，在镍氢电池充电时能同时给镍氢电池的负载供电。MAX712能根据电压剃度、温度或时间截止快速充电，自动从快速充电方式转到涓流充电方式。不充电时，镍氢电池上的最大漏电流仅为5mA。

1.器件封装及型号选择

图2-2 MAX712MAX713的引脚排列方式表2-1 MAX712MAX713的引脚符号和功能

2.MAX712的结构

图2-3 MAX712的内部结构框图

由图2-3可知，MAX712的内部电路主要包括：定时器、电压斜率检测器(内含AD转换器)、+5V并联稳压器、上电复位电

路(R1、C0和反相器F)、控制逻辑、电流和电压调节器(内含电流比较器和电压比较器)、镍氢电池比较器、温度比较器(过温度比较器、欠温度比较器)、2.0V基准电压源以及N勾道MOS场效应管等。

3.MAX712的主要特点

1)采用零电压斜率检测技术。对1～16节串联的镍氢电池，能以C3～C的速率进行电流快速充电，也能以C16的速率进行涓流充电(镍氢电池的额定电压的额定容量Ah表示，如果某镍氢电池的额定容量为1Ah，以1A电流充电时的充电时间为1h，则称1C速率)。

2)可编程。可以编程设定待定充电镍氢电池的数量(1～16节)、充电时间(22～264min)以及涓流充电电流的大小。只需要改变相应引脚的接法，即可实现编程。

3)利用外部电阻可设定快速充电电流IFAST。

4)内部电压斜率检测器、温度比较器和定时器。根据电压斜率、镍氢电池温度或充电时间检测结果，可判断镍氢电池是否已充好电。一旦充好，就立即从快速充电状态自动切换到涓流充电状态，确保镍氢电池不受损害。

5)静态功耗低，充电效率高，不充电时最大静态电流仅为

5uA。

4.MAX712的编程方法

镍氢电池数的编程方法为：将PGM0、PGM1分别接V+、REF、BATT-端或开路时，即可对充电镍氢电池数(1～16节)进行编程。

快速充电时间及涓流充电电流的编程方法为：将PGM3、PGM4分别接V+、REF、BATT-端或开路的时候，可以在22～264min之间内设定一个充电时间TFAST，见表2-2。

PGM3端还设定了从快速充电切换到涓流充电时涓流充电电流ITR的大小，

(1)镍氢电池数量的设定

在应用中MAX712提供可编程引脚PGM0和PGM1，通过对PGM0和PGM1引脚采取不同的电压连接方式即可设置待充电镍氢电池的数量。1～16节镍氢电池充电的设置参数如表2-2。

表2-2 待充电镍氢电池数量的设置

实际充电镍氢电池的数量也必须与由PGM0和PGM1引脚编程确定的数量一致，否则利用电压剃度检测充电功能将可能失去意义。

(2)充电速率及充电时间的设定

通过对PGM2和PGM3引脚的编程电压设置，可以设定镍氢电池的充电速率和充电时间。采取不同的电压连接方式时最大充电时间的设定见下表2-3。

表2-3 最大充电时间的设定

从上表中可以看出，对于MAX712芯片来说，最大允许快速充电时间为264min ，因此其最小充电速率将不能低于C4。快速充电电流IFAST 可按以下公式计算：

)

()(h mAh I FAST 充电时间充电电池容量

(2-1)

式中：IFAST——快速充电电流

对于MAX712芯片来说，涓流充电速率一般为C16，IRT与IFAST的关系见下表2-4。

表2-4 涓流充电电流IRT与快速充电电流IFAST的关系

此外，鉴于镍氢电池的固有特性，充电速率通常在80%左右，即当以C2速率充电时，理论上充电时间为2h，而实际充电时间通常为2.5h左右。

2.1.3 芯片的选择与比较

从上述两种芯片的介绍可以看出，MAX712可通过简单的引脚电压配置进行编程，实现对充电镍氢电池数量和最大充电时间的控制。MAX712内部集成的电压剃度检测器、温度比较器、定时器等控制电路，根据电压剃度、镍氢电池温度或充电时间的检测结果，自动控制充电状态，从涓流充电转到快速充电(低温时)，以确保镍氢电池不受损害。充电状态识别可由输出的LED

指示灯或接口实现，具有自动从快速充电方式转化为涓流充电方式，低功能睡眠等特性。快速充电速率从C4到4C可设定，涓流充电速率为C16。

通过这两种芯片比较可知，MAX846A最典型的应用就是作为一个独立的限压电流源为电池充电，而它大都运用在锂电池中，且多数在浮充充电中用，要实现快速充电相对来说较麻烦。而利用MAX712芯片所设计电路要求采用最简单的控制方式，使得该镍氢电池充电器能进行定时控制、电压控制和温度控制；具有过压、过流、充电电池保护功能和充电时间短的特点。MAX712系列专用集成电路具有多种可编程功能，可实现充电过程自动化，充电时间短，效率高，使用灵活方便。

本论文中设计的镍氢电池快速充电器中所用的芯片选用的是MAX712快速充电管理芯片。利用MAX712芯片设计的充电器外围电路极其简单，非常适合便携式电子产品紧凑设计的需要。

2.2镍氢充电器的原理与原理图

图2-4 由MAX712构成的镍氢电池快速充电电路的原理图(注：图中引脚指引脚)

2.2.1.充电器的原理

充电器依据的原理就是MAX712充电管理芯片的特性，PGM0和PGM1根据电池的不同数目有不同的接法，如果电池数目和PGM0、PGM1的编程数目不符，将使决定快速充电的电压坡度电

路失效。根据BATT+、BATT-间的电压和PGM0、PGM1编程的电池

数目，可以算出每节电池的电压。如果每节电池的电压低于0.4V，只能涓流充电，直到每节电池的端电压大于0.4V，才开始快速充电。温度比较器根据设定的温度上限(THI)、下限(TLO)及当前温度(TEMP)，发出冷或热的信号给控制逻辑，控制逻辑决定快速充电还是涓流充电。PGM2和PGM3根据电池的充电时间不同有不同的接法，从而决定了ΔV，并送给控制逻辑ΔV和充电时间。从V+端连接的POWER-ON-RESET电路可以检测到外电源供电的开始，并将该信号送到控制逻辑。控制逻辑根据接收的所有信息，决定是否快速充电，如果快速充电，它还会送出相应信号到第8脚。

外围电路：由于芯片本身就已经具有根据电压坡度、温度或时间三种方式检测并截止快速充电，并自动从快速充电转到涓流充电的功能，所以外围电路只需要给芯片提供温度检测回路、直流电源供电回路、快速充电的指示回路和快速充电电流的控制回路，以及一些其它的简单电路。由MAX712构成的镍氢电池快速充电电路的原理图如图4-4所示。

2.2.2充电器电路分析

根据上述镍氢电池快速充电电路的原理图2-4所示，要利用该电路对3节AA型1Ah镍氢电池充电，选择快速充电时间