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：1.1MAX471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。1.2MAX471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–IOUTRG1。因A2此时输出低电平，VT2不导通，因而A1负端电压为：VCC-RSENSEILOAD,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：IOUTRG1=RSENSEILOAD即IOUT/ILOAD=RSENSE/RG1这里，IOUT/ILOAD称为电流比，其大小由芯片内部的电阻RSENSE、RG1的大小决定的，MAX471内部的电阻已经固定，其比值为0.0005。这样，IOUT=0.0005ILOAD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:VOUT=IOUTROUT=0.0005ILOADROUT即；ILOAD=VOUT/0.0005ROUT(A)给定一个负载电阻ROUT值，测出电压VOUT值，电流ILOAD的大小就知道了，特别，当电阻ROUT的值为2K时，电流:ILOAD=1VOUT(A)1.3MAX471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18μA。2,3RS+：内部取样电阻的电源端。“+”仅表示SIGN输出端的电流方向。4GND：地或电池负端。5SIGN：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。6,7RS-内部取样电阻的负载端。“-”仅表示SIGN输出端的电流方向。8OUT：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)SHNDRS+RS+GNDOUTRS-RS-SING图2MAX471引脚图COMPR-SENSER-G2R-G1VT2VT1RS+RS-OUTSIGN图1MAX471内部结构示意图A1A2ILOADIOUT22、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=t1×ILOAD+t2×ILOAD+t3×ILOAD+…+tn×ILOAD2.3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OLED12864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+-+-R52kR11KR33kR62kLED0IC1TL43123456781IC4MAX471C222uFC1104C422uFC310uFp1.21p1.32p1.43p1.54p5.45+6p5.57-8p1.116p1.015p3.714p3.613p3.312p3.211p3.110p3.09IC3W408-16GND1+5V2CS3RES4AO5CLK6DIN7GND8123IC2DS18B20VT18550R21KU=5.21VE=4.12V充电温度T=16.5c充电电流I=0.356A充电电量P=0.154AH23456781IC5TP4056R40.4C510uFC610uF5VBZ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：RPROG=1200/IBAT其中，IBAT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。3.2.2OLED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-----CSTEMPPROGGNDVCCCE/STDBY/CHRGBAT图5TP4056引脚图1KR-PROGLED123456781TP