摘 要
在充电电池广泛使用的广阔前景下，电池充电器的设计也可谓层出不穷。本文设计并介绍了一种基于电流模式控制器UC3842B和STM8S103F2单片机的锂电池充电电路。文中详细说明了整个电路的工作原理，恒流充电与恒压充电过程的具体实现以及相关功能的软硬件结合，并且进行了相关测试实验，得出数据进行验证。实验结果表明：该充电电路能够很好地完成电池充电的功能，并且实现了恒流恒压的准确设置。
【关键词】电池充电器 UC3842B STM8S103F2 恒流充电 恒压充电
1 引言
随着便携式设备与电动工具的不断发展，对电池性能，特别是可充电锂电池的性能要求也在不断提高。与此同时，对于锂电池充电电路的设计与优化也持续进步。本文所设计锂电池充电电路是基于三串10.8V电池组设计的一款智能锂电池充电器。实验使用的电池型号为韩国三星公司（SAMSUNG）的INR18650-13Q型号电池，该电池额定容量为1300mAh，额定使用电压为3.60V，充电时充电电压达到4.20V默认为满状态，并且该电池要求采用CC-CV（恒流-恒压）方式充电。
基于STM8S103F2单片机的控制与电流模式控制器UC3842B调整，通过软硬件结合的形式实现了充电过程中的恒流与恒压过程及转换。文中详细阐述该款锂电池充电器的软硬件工作原理，特别是恒流与恒压充电的具体实现，并分析了充电器的实验结果。
2 充电方法的比较
目前，国内外对于锂电池的充电方法不多，大致分为以下两种：
2.1 直流充电法
这种方法较为简单，通过变压器将市电220V电压通过变压器转换为某一电压值，再用恒流直接为锂电池进行充电，直至电池电压达到某一值结束。这种方法虽然简单且充电时间较快，但是对电池损伤非常大，而且也几乎不能将电池充至满状态，长期使用这种充电器，会导致电池寿命下降。
2.2 常规充电方法
如图1，这种方法是最为常用的方法。当电池插入充电器时，充电器首先进入预处理状态，该状态主要对电池进行检查，使用大约C/15大小的充电电流对电池进行温和充电，测试其电压是否能够达到门限值2.5V。如果不能，则认为电池损坏；如果能则进入恒流区，以较高的电流（大约1C）对电池组进行快速充电。当电池恒流充电达到门限电压4.2V
时进入恒压区。在恒压区内，对电池进行恒电压充电，随着电池电压的不断上升，充电电流不断减小，直到充电电流下降到C/10到C/15的量级时，充电停止，整个充电状态结束。
在充电效果，电池损耗方面的比较上，直流法远不如常规法，虽然充电时间较短，但其使用频率依旧很低。相比之下，常规法的充电效果和对电池的损耗都可以达到要求，并且常规法的实现也较其他一些方法简便。因此，常规法成为了当今应用频率最高的锂电池充电方法。本系统的设计也是基于常规法。
3 芯片介绍与电路架构
本系统中主要应用到了高性能电流模式控制芯片UC3842B。
3.1 UC3842B芯片介绍
UC3842B芯片是一款高性能电流型PWM控制器。该芯片电路开关频率可调节，具有电流反馈和电压反馈双环控制的特点，电压调整率和负载调整率高。并且具有外围电路简单，安装与调试方便，性能优良，价格低廉等优点。
UC3842B芯片的内部主要包括：5V参考电压，输入欠压锁定电路，误差放大器，振荡器，脉宽调制器。图2是8脚封装的UC3842芯片的简化方框图。
各引脚功能如下：脚1为误差放大器输出；脚2是误差放大器反相输入，通常通过一个电阻分压器连接至开关电源输出，起电压反馈做用；脚3为电流取样引脚；脚4用于给PWM定时，通过电阻RT连接至参考输出引脚8以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调，振荡频率可以用以下公式计算：
f=1.8/（RT*CT）；
脚5是控制电路和电源的公共地；脚6是输出方波驱动开关管的引脚，输出方波可直接驱动功率管MOSFET的栅极；脚7是控制集成电路的正电源（VCC）；脚8是参考输出引脚，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流。此外，UC3842B还包括过压、欠压保护电路，当供电电压低于10V时，芯片停止工作。
3.2 充电器电路架构
本文设计的锂电池充电器系统是基于STM8S系列单片机与UC3842B芯片的基础上进行设计的。
在整个充电流程中，市电220V经过低通滤波和整流后通过变压器，再为锂电池组充电。STM8S单片机实时对充电电路进行电压的采样，采样的数据用以控制电流环或者电压环的启动与关闭。分别以两个比较器组成的电流环与电压环分别在恒流或恒压工作状态下启动，接到UC3842B上，用来控制芯片输出的PWM波形占空比，以此来对充电电路进行校正，使其可以稳定运行在恒流或是恒压状态。最后再由STM8S单片机的采样信息来决定是否充电结束。
4 充电器硬件电路的设计
根据主要实现的恒流充电和恒压充电两个功能所设计的锂电池充电电路可以主要分为四个部分来介绍。分别是：STM8S单片机，恒流环，恒压环，UC3842B芯片。各部分协调工作，从而完成锂电池的充电任务。
4.1 STM8S单片机部分
STM8S系列单片机是ST公司出品的8位单片机，它具有抗干扰能力强，性价比高等特点，内置ADC采样通道以及EEPROM。本系统使用的STM8S103F2系列单片机具有20个管脚，在充电器中起到控制开启电流环，采样电压信号并比较决定充电阶段，控制开关继电器和指示灯等作用。
单片机使用三路ADC。其中，ADC通道2对电池包信号进行采样，以确定电池包是否插入；ADC通道3对电流信号进行采样，用以检测恒压充电是否结束；ADC通道5对电压型号进行采样，用以对充电电路的电压进行采样。此外，对于单片机IO口的配置是：PC5，PC6分别控制绿色LED指示灯和红色LED指示灯，PC7是控制充电电路的继电器以控制充电的开始与终止，PC3用来控制电流环的启动，PA3用来控制恒压环。
单片机对整个系统的信息进行采样，并将采样的结果进行处理，从而得知充电的状态，用来对相应的状态做出反应。
4.2 恒流环部分
充电器接上电量耗尽的锂电池组后，首先进行预处理，用小电流为电池组预热并同时检测电池组是否正常无损坏。如果一切正常，则电池组电压持续增加，当单片机检测到电池组电压到达7.8V时，将PC3管脚置1，进入恒流状态。具体恒流环电路的工作原理图如图3所示。
当进入恒流状态时，充电时由硬件控制达到3A的充电电流，与此同时PC3管脚置1相当于R24也加5V电压。在采样端，采样电阻为三只0.22Ω的电阻并联，因此得到的电流端采样电压UI为：
UI=I*R=3*（0.22/3）=0.22V
此时得到的采样端电流为：
I1=UI /R25=0.22V/1kΩ=0.22mA
而比较端的电流可以计算为：
I2=5V/（R23//R24）=0.226mA
此时反相端电流为：
I3=I1-I2=0.22-0.226=-0.006mA
由于电流环的同相端接地，构成了一个
零交比较器，因此此时状态导致恒流环开通。电流采样端的变化将导致比较器输出波形的变化，从而反馈控制UC3842B的输出，使电流可以稳定于3A。
4.3 恒压环部分
充电器在进入恒流状态后，以3A的恒定电流对电池组进行恒流充电，电池组电压不断上升，直到达到临界电压值12.0V。此时单片机检测到电池组电压达到12.0V，而在此之前，单片机已经将PA3管脚置1了，经过计算，此时将进入恒压状态。具体恒压环电路的工作原理如图4所示。
在恒流环充电临近结束时，电池组电压依旧处于上升状态，达到12.0V。如图4所示比较器的反相输入端接到由阻值为1K的R30和稳压二极管WL431得到一个2.5V基准电压上。而同相端则接入电压采样信号（分压后）。图4中标注PD5处连接到单片机的ADC通道5，PA5则连接到单片机PA5管脚。
设比较器同相端电压为UV由基尔霍夫电流定律可以列出计算式如下：
代入数据化简得到：
160UV=5.11*（101-9UV）
UV≈2.505V>2.5V
由比较器的特性可知，此时恒压环开始工作，电压保持不变，电流不断下降。而电流的下降将会导致恒流环关闭。因此从恒流环到恒压环的转换就实现了硬件上的自主转换。
4.4 UC3842B芯片部分
充电器工作在恒流环与恒压环的过程中，都要通过UC3842B芯片来进行反馈调整。如图5所示
图5中芯片左下的4号管脚连接的电阻R7和电容C6分别是时间电阻和电容，一起来决定振荡频率。电流环与电压环上过来的采样信号经过一个光耦进行光电隔离后接入芯片中。输出PWM信号波随着输入PWM信号波的占空比变化而变化，从而直接控制场效应管使电压进行相应变化来达到恒流或稳压的作用。
5 充电器软件的设计
锂电池充电器系统软件是基于STM8S系列单片机，根据所要实现的相关功能编写的。
STM8S系列单片机是意法半导体针对工业应用和消费电子而开发的微控制器芯片。它具有高达20MIPS的CPU性能和2.95V-5.5V的电压范围。在本系统中，使用5V电压为单片机供电，因此单片机管脚置高时输出的就是5V电压。系统中，单片机利用ADC通道接收电压采样信号，电池包采样信号和电流采样信号，在经过处理比较后决定充电状态。充电状态的改变有以下几种：
（1）在预充状态下要采样电压信号，以此来决定何时进入恒流状态。到达预充与恒流的临界状态后，芯片将PC3管脚与PA3管脚置1，用以进入后面的恒流状态与恒压状态。
（2）在恒流状态到恒压状态的转换过程是靠硬件实现的，但与此同时要采集电压信号，用来控制LED灯的闪烁频率用以直观显示所在充电状态。在恒压状态中也是一样的。
（3）在电压信号采集的同时，单片机还对电池包信号和电流信号进行采集，并根据采集的结果来判断电池充电过程中是否出现过压，过流，短路等故障现象。如果出现以上现象，则单片机控制的PC7管脚将关断继电器，对电池组和充电器进行保护。
整个程序基于查詢方式，时钟设置为每50ms循环一次。程序开始时，首先对时钟，ADC与LED等进行初始化。之后检测电池组是否插入。若检测到电池组插入，则对电压与电流进行采样，检测是否超过或低于单片机中设置的欠压，过压，过流，短路的阈值，如果出现以上状态，则关闭继电器，停止充电。如果未出现以上状态，则证明没有紧急状态，进入充电流程。充电状态依据预充，恒流，恒压，浮充的顺序进行，通过电压监测来确定当前状态以及何时进入下一状态，直到最后浮充状态中检测到充电电流小于150mA，则认为电池组充满，继电器关闭，充电状态结束。
6 测试与数据分析
对本次设计的锂电池充电器进行充电测试，其中，可以根据指示灯的亮灭来确定当前所处的充电状态（指示灯设置为：预充状态每秒闪1下；恒流状态每秒闪2下；恒压状态每秒闪3下；预充状态每秒闪4下）。
由此可以看出，锂电池充电系统可以按要求工作，相应状态下的数据和临界值符合要求。整个充电状态持续1小时左右，其中恒压状态的时间最长。
7 结语
本文从硬件与软件两方面对所涉及的锂电池充电器进行了介绍。该款充电器采用STM8S103F2芯片作为主控制芯片，并通过硬件电路及电流模式控制器UC3842B芯片对充电状态进行控制，从而达到对锂电池充电器的设计要求。经过试验的验证，可以看出该款充电器工作稳定，性能良好。
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作者简介
杨镇遥（1989-），男，辽宁省葫芦岛市人。硕士学位。现就读于上海大学机电工程与自动化学院，专业为电工理论与新技术。主要研究课题为锂电池充电器系统。
作者单位
上海大学机电工程与自动化学院 上海市 200072
