一种基于MAX471芯片的锂电池充电电量显示与监控电路

1 一种基于 MAX471 芯片的锂电池充电电量监测电路的设计与实现---------------- 三峡电力职业学院 刘远明摘要本文提供了一种基于 MXA471 芯片的锂电池充电监测电路，通过该芯片实时检测电路对锂电池的充电电流值，配合充电管理芯片，实现了对充电电流，充电电压，充电电量，电池温度等的实时检测和显示，当电池温度、充电电压等方式异常时，电路会及时报警，避免充电事故的发生，本文对电路原理，方法，相关器件都做了详细介绍。引言 随着便携式电器设备的普及，锂电池的使用已随处可见，从手机到平板，从各种便携式仪器仪表到学生的各种科技活动，使用的电源基本都选择了锂电池。但，使用锂电池就离不开充电器，一个好的，功能完备的充电器对正确，安全使用锂电池及其重要。在对锂电池充电时，经常因为电池或充电器的原因，充电充了很长时间，取下电池使用时，电池还是没电，或一会又没电了，有的电池，在充电过程中，电池发热甚至发生爆炸事故，因此，在充电过程中，对电池的充电情况进行实时监测， 出现问题时能及时发现， 确保充电过程有效， 安全得进行。 这里提供一种基于 MAX471芯片的充电监测电路，可以较好的实现锂电池充电的安全、有效的目标。1、 MAX471 芯片介绍1.1 MAX471 芯片性能特点MAX471 是美国 Maxim 公司向市场推出的一种新型的、高精度的电流检测放大器， 主要用于笔记本电脑、手机、 便携式测量仪、能源管理系统等中的电流监测单元在电流测量技术中。 在电流测量中，为了减少测量电路对被测电流的影响 , 通常采用在被测电路中串联一只小阻值的取样电阻进行 I-V 转换 , 再经过差分放大电路实现小电压放大的方法来测得电路中的电流值，测量精度要求越高 , 线路就越复杂。 MAX471内部有一个 35mΩ 的电流采样电阻 , 可以测量3A 的电流。 MAX471 有一个电流输出端 , 只需外接一个电阻 , 将电流转换成对地电压 , 就可组成高精度的电流监测电路。它的工作电压和被测电路电流范围宽 , 因此得到广泛的应用。1.2 MAX471 内部结构及工作原理图 1 是 MAX471内部结构示意图，主要包括两个运算放大器 A1， A2，内部电流采样电阻 RSENSE跨接在两个运算放大器的输入脚之间，当被测电流经过 RS至 RS-流过采样电阻 RSENSE时（实际可以是任意方向） ，放大器 A1工作，输出电流使 VT1导通，此时，忽略三极管的导通压降， A1 正端的电压为 VCC– I OUTRG1。因 A2此时输出低电平， VT2不导通，因而 A1 负端电压为 VCC -R SENSEI LOAD , 根据放大器虚短，虚断的原理，两输入端电阻无限大，而电位相等，就有 I OUTRG1 R SENSEI LOAD即 I OUT/ I LOAD R SENSE/ R G1 这里， I OUT/ I LOAD 称为电流比，其大小由芯片内部的电阻 RSENSE、 R G1的大小决定的， MAX471内部的电阻已经固定，其比值为 0.0005 。这样， I OUT0.0005I LOAD如果在 OUT输出端接入一个负载电阻 ROUT , 就可以根据电阻上的电压，计算出被检测电流的大小来 VOUTI OUTROUT 0.0005I LOAD ROUT 即 ； I LOAD V OUT/0.0005R OUT A 给定一个负载电阻 ROUT值，测出电压 VOUT值，电流 I LOAD的大小就知道了，特别，当电阻 ROUT的值为 2K 时，电流 I LOAD1VOUTA 1.3 MAX471 管脚功能图 2 是 MAX471的管脚图，其管脚功能如下1， SHDN 休眠端。接地时处于工作状态。接高电平时 , 休眠状态 , 耗电电流小于 18μ A。2, 3 RS 内部取样电阻的电源端。 “ ”仅表示 SIGN输出端的电流方向。4 GND 地或电池负端。5 SIGN OC 门输出端。低电平表示被测电流由 RS-流向 RS。当 SHDN 为高电平时 , SIGN 端呈高阻抗。不使用 SIGN 时 , 可将该端悬空。6, 7 RS - 内部取样电阻的负载端。 “ - ”仅表示 SIGN输出端的电流方向。8 OUT电流输出端 , 它与经过 RSENSE的电流大小成比例。该端对地接一个 2k的电阻时 , 其转换因子为 1V/ 1A 被测电流 SHNDRSRSGNDOUTRS-RS-SING图 2 MAX471引脚图COMPR-SENSER-G2R-G1VT2VT1RS RS-OUTSIGN图 1 MAX471内部结构示意图A1 A2I LOADI OUT2 2、电量监控电路总体结构图 3 是电量检测电路框图，由充电电流检测电路，充电管理电路，温度检测电路，报警电路，显示电路，单片机控制电路等几部分组成。电路中，锂电池充电没有进行另外的控制设计，而是直接采用锂电池充电管理电路，使整个电路的软硬件结构都更为简洁，可靠，这里，电流检测电路串接在充电管理电路之前，实现对锂电池充电电流的实时检测，同时，充电管理器也将锂电池的当前电压送入单片机，这些数据，帮助单片机实现对锂电池充电的电量、电压监控。2.1 电压检测电压检测是这个电路能够完成设计目标的重要基础，所用检测的电量信号都是先转换为电压量后结过变换得到，在过去的单片机电压检测电路中，需要专用的 ADC芯片协助单片机完成电压模拟量的采集和转换，结构复杂。这里，为了进一步简化电路，我们选用具有模拟量检测端口的单片机来完成电压量的采集。2.2 充电电量的检测检测的结果以电压的形式送入单片机，由单片机转成电流量进行缓存，同时，单片机在开始充电时，打开定时器，启动计时器工作。工作时，让单片机每隔一段时间，将检测得到的电流值不断累加，这样就获得了电池充电电量上的数据。理论上来说，累加中间的间隔时间越短，电量计算的精度就越高。电量 t 1 I LOAD t 2 I LOAD t 3 I LOAD, t n I LOAD2.3 环境温度检测在锂电池充电时，电池可能会发热，如果因为电池或其他问题让温度一直偏高时，会直接影响电池的使用寿命，还极易引起电池的鼓包现象，更有甚者，充电的异常还有可能引起电池的爆炸和火灾的发生，因此，充电时，对电池的温度进行检测是很有必要的。过去温度的检测常用温度敏感元件来完成，如温敏电阻，温敏二极管等，采用这些器件检测温度，需要有相应放大、调整的配合，增加了电路的复杂性，我们选用数字温度采集器件 DS18B20元件进行温度测量，可以大大简化电路，并提高温度检测的精度。2.4 报警电路当充电电路出现异常，能够及时发现问题并报警提示，使问题能及时发现及时处理，这是本充电检测电路最大的特点所在，目前考虑主要在两个方面对电池充电进行监控一是温度监控，当充电温度偏离正常范围时，断开充电电源并开始报警。二是当充电电压超过锂电池的上限电压时，切断电源开始报警。 一般， 锂电池的充电温度不能超过 65 度， 我保险， 可以把温度值控制在 50 度左右。 充电电压的上限电压为 4.20V ，监控电压设置为这个值。一般情况下，因为我们采用了专用的充电管理芯片进行充电，该芯片内部有很完善的终点电压检测电路，当电池电压接近这个值时，就自动断开电源，结束充电。但，很多时候，这个电源管理芯片可能被损坏，失去管理功能，让电压一直上升，如果没有及时发现，后果是很可怕的。2.5 数据显示所用检测的结果，通过与单片机连接的显示屏显示出来，显示屏可采用 OLED 12864 屏，和液晶 LCD屏相比较， OLED屏不需要背光，夜晚观看也很方便。用 12864 屏，可以一次把所用信息显示出来，观看很方便。3 、电路原理图图 4 是根据框图设计完成的电路原理图。图中，单片机选用 16 脚的 STC15W408单片机，这个单片机属于宽电压单片机，对电源电压适应性强，不会因为电源电压的变化而罢工。3.1 电路硬件配置单片机电流检测充电管理显示报警温度充电电源 锂电池图 3 电路结构框图--R52kR11KR33kR62kLED0IC1TL43 1234 56781IC4MAX 471C222uFC1104C4 22 uFC310 uFp1.21p1.32p1.43p1.54p5.456p5.57-8p1.116p1.015p3.714p3.613p3.312p3.211p3.110p3.09IC3 W4 08- 16GND15V2CS3RES4AO5CLK6DIN7GND81 2 3IC2DS1 8B20VT185 50R21KU 5.21V E4.12V充 电 温 度 T 16.5c 充 电 电 流 I0.356A充 电 电 量 P0.154AH234 56781IC5T P4056R4 0. 4C510uFC6 10uF5VBZ锂电池 充电口图 4 电路原理图3 单片机因为管脚较少，只有部分 P3 口和 P1口，还有两个 P5 口， STC单片机的 P1 口基本都有 ADC功能，可以进行最高 10 位精度的模拟量电压的检测。按照设计要求，需要检测电压的地方有 1. 锂电池充电口， 2. 充电电源的电压连接端口， 3.MAX471用于电流检测的 OUT口 ,4. 对于没有连接稳压 IC 的电路，要让单片机获得准确的电压值，还需单片机有一个脚连接一个精度较高的基准电压源，对其他检测电源进行比较矫正。这样，单片机共需要至少 4 个 ADC端口，STC15W408有 6 个这样的端口， 因此没有问题。单片机的其他端口分别与 OLED，温度元件 DS18B20， 报警电路等更需要7 个脚，因此，采用 16 脚单片机可以满足电路安装的需要。3.2 电路其他元件选用说明3.2.1 充电管理芯片这 里 选 用 的 充 电 管 理 芯 片 为TP4056， 这是一片完整的恒流 / 恒压线性充电芯片，充电电压固定为 4.20V ，充电电流的大小可通过外部的电阻进行设定，适合不同容量的锂电池进行充电，最大可输出 1A的充电电流。图 5 是其引脚图，图 6是其典型的充电电路连接图。图中， LED1、 LED2分别为充电状态指示灯，充电时 ,7 脚为 0 电平， LED1被点亮，电充满后， 7 脚跳变为 1， 6 脚变为 0， LED2被点亮。 电路中的 RPROG是充电电流设置电阻， 相关计算公式 RPROG1200/I BAT 其中， I BAT 为设置的充电电流值。当需要中断充电时，将电路的 8 脚接地即可。3.2.2 OLED 的选用这里选用的显示屏为 128x64 点阵的 OLED屏，使用电压 3.3V 宽电压，在 5V 时也能正常使用。该屏与单片机的通讯接口为 4 线 SPI 接口，对单片机接口资源的占用极少。厂家提供的接口资料如下3.3 电路工作原理3.3.1 实现充电电量的显示开机后，单片机的的几个电压检测口分别对电路的电压端口进行检测，检测到电流量时，启动计时器，然后，单片机每分钟为一段时间，不断对电流，锂电池端口的充电电压进行检测，将检测到的电压、 电流及时间值相乘， 并同上次的结果进行累加计算， 直到充电管理芯片 TP4056 电池充电结束， 关断了充电电源，这时显示的电量，就是充入锂电池的电量。3.3.2 实现充电异常情况监测报警充电异常的情况主要有，充电温度异常，充电电压异常等。当监测到的温度值超过设定的正常温度范围时，让单片机的 P5.5 口输出 0 电平，与之连接的三极管导通，蜂鸣器发出报警声音，同样，当监测到锂电池端口的充电电压超过 4.2V 时，也让 P5.5 脚输出 0 电平，蜂鸣器发出报警声，以此提醒我们及时发现问题，排除故障。还有两种情况也应该引起注意，用于充电的 5V 充电电源，市面上和网络上有很多都是伪劣产品，输出的充电电流很小，甚至因为接入电路后，充电电源的端电压跌落太大，低于充电器正常的工作电压，使充电器根本不能启动工作，这种情况如果不能及时发现，就会白白浪费很多时间。还有一种情况也很常见，就是锂电池使用不当或在网络上购买的锂电池，其电池内阻很大，根本无法充入电流，这种情况也应该能够及时发现，及时剔除损坏的电池，这可以通过观察显示屏显示的数据来发现。4、电路的软件设计根据电路的工作原理和电路的硬件配置，明确单片机端口布局，还要对 OLED面板的数据显示做适当的规划，如文字的点阵大小，排列位置等。4.1 单片机端口布局情况//------- 单片机 STC15W408-16 ------------- // 采用 OLED作为显示器件，实现锂电池充电的监测和数据显示//----------------------------------------- // P3.0 -----CS TEMPPROGGNDVCCCE/STDBY/CHRGBAT图 5 TP4056引脚图1KR-PROGLED1234 56781T P40560.410uF10uFLED21KBatVCC图 6 TP4056 典型应用电4 // P3.1 -----RES // P3.2------AO // P3.3------CLK // P3.6------DIN // P3.7------DS18B20 // P1.0 ------ks // P1.1------L4312.50V 基准电压 // P1.2------E 锂电池电压 // P1.3------Uout （电流检测输出端电压）// P1.4------ I 电流 // P1.5-------Vcc 电源电压 // P5.5------- 蜂鸣器 0 电平导通 4.2 OLED 屏的数据显示规划这里采用的 OLED显示屏， 分辨率为 128X64个点阵， X 轴的点阵坐标为 0-127 ， y 轴的点阵坐标为 64， 显示字符时，纵向的坐标可以是一个字节，即 8 个点阵，显示汉字，则需要 2 个字节即纵向 16 个点阵。所以从纵向来看，一个屏，最多只能写上 4 排汉字。于是，我们这样规划显示屏的字符布局第一行，共有 14 个字符，如果每个字符宽 12 个点阵，需要占用点阵位14X12168，大于 128，不行，把宽度改为 9. 则， 14X9126 , 勉强够用。后三排有汉字，可以分开来计算，字符的宽度和前面一样，为 9，最下面一排字数最多，其字数为 13，将汉字的宽度也取 9，则，需要的点阵宽度为 13X9117，只能这样了，这样的汉字点阵，字体会有些失真。5、电路安装调试电路由集成芯片为主，分立元件很少，电路 PCB的的设计和安装调试相对来说比较容易，这也是这类电路的特点，重点实际在软件设计上，软件设计好了，安装是很方便的，功夫在软件上。5.1 PCB 图设计及安装图 7 电路的 PCB板 图 8.a 刚充电时的显示 图 8.b 充电结束的显示5.2 电路调试和使用本电路使用情况基本符合设计要求，数据显示正常，准确，可以很清楚看到锂电池充电中的充电电流值，电池的充电电压值以及充入电池的电量值，通过对这些数据的分析，对被充电池的质量，充电电源的质量好坏可以一目了然，这有助于我们安全、有效的管理和使用锂电池。U 5.21V E4.12V 充电温度 T 16.5c 充电电流 I0.356A 充电电量 P0.154AH