锂电池的设计

2.1.1 方案一 一款极简单的锂电池充电器

该装置的电路工作原理如图2-1所示：

图 2-1 简易锂电池充电器

工作原理：此电路采用恒定电压给电池充电，确保不会过充。输入直流电压高于所充电池电压3伏即可。R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路，Q2、W2、R2构成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。随着被充电电池电压的上升，充电电流将逐渐减小，待电池充满后，R4上的压降将降低，从而使Q3截止，LED将熄灭。

本电路的优点是：制作简单，元器件易购买，充电安全，显示直观，并且不会损坏电池。通过改变W1可以对多节串联锂电池充电，改变W2可以对充电电流进行大范围调节。

缺点是：无过放电控制电路。

1.2 方案二 实用锂电池充电器

该装置的电路工作原理如图2-2所示：

此充电器工作原理：由VT2、R4、R6、LED1组成恒流充电，VT1、IC、R1~R3、RP1等组成恒压充电，VT3、RP2等组成电池电压检测。待充电电池放入充电器接通电源后、电池即进入恒流充电，充电电流约为300mA，同时LED1点亮。当电池电压达到4.1V时VT3导通，继电器J吸合，继电器接点转换成恒压充电（常闭接点1断开，常开接点2闭合），此时充电电流约为50mA左右，同时LED1熄灭，LED2点亮。

优点：本电路专为业余制作而设计，因此电路简单、元件易购、制作容易、安全可靠。

图2-2 实用锂电池充电器

2.1.3 方案三 简单的2节锂电池充电器

该装置的电路图如下所示：

图 2-3 简单的2节锂电池充电器

工作原理：该充电器中采用了锂离子电池充电控制器LM3420-8.4。可对2节串联的锂离子电池组充电。当电池组电压低于8.4V时，LM3420输出端(OUT)无输出电流，晶体管Q2截止，因此，可调稳压管LM317输出恒定电流，其值为1.25／Rn。LM317额定输出电流为1.5A，若需要更大的充电电流，可选用LM350或LM338。充电过程中，电池电压不断上升，并被LM3420的输入端(1N)检测。当电池电压升到8.4V时，LM3420输出电流，使Q2开始控制LM317的输出电压，充电器转入恒压充电过程，电池电压稳定在8.4V。此后充电电流开始减小，充足电后，电流下降到涓流充电电流。当输入电压中断后，晶体管Q1截止，电池

组与LM3420断开。二极管D1可避免电池通过LM317放电。

2.1.4方案四 普通恒流、恒压充电器

该充电器主要由恒流源、恒压源和电池电压检测控制器三部分组成。其工作原理为：市电经电源变压器降压、整流、滤波，由IC1构成恒流源经继电器的常闭触点向电池进行第一阶段恒流充电；当电池的电压上升到由IC3构成的电压比较器所设定的4.2V时，电压比较器输出高电平，经R7、ZD2触发可控硅SCR导通，继电器得电吸合，J-1的常闭端点断开，常开点接通，转为由IC2组成的恒压源进行第二阶段的恒压充电。可控硅的作用是电池在转为恒压充电时，电池的电压会有所下降，电压比较器又会转为输出低电平，由可控硅触发后的自保持特性可消除这一影响。ZD2和C5的作用是消除误触发。D5的作用是防止电池电流倒流损坏元件IC1。

该充电器的特点是：充电过程分为两部分，首先用恒流充电到4.2V+0.05V，即转入4.2V0.05V恒压的第二阶段充电，恒压充电电流会随着时间的推移而逐渐降低，待充电电流降到0.1CmA时，表示电池已充到额定容量的93%或94%，此时即可认为基本充满，如果继续充下去，充电电流会慢慢降低到零，电池完全充满。

优点：精度高，元件也比较常见易购买，可以最大限度的将电池充满。

该装置的电路如图2-4所示：

图2-4 普通恒流、恒压充电器

2.1.5方案五 使用专用集成块的锂电池充电器

电路如图2-5所示。此例选用的充电器是LT1510，电池组含3节锂离子电池。选定R4值之后，R1、R2和R3的值可按以下公式计算：

R1＝R4＝(Vout-Vref)／Vref，R2＝K(R1+R4)，

R3＝R4×Vref×K[1-(1-K)]／Vout K是电路一个方向总容差需要作的相对变化。例如，在0.5％基准、两只1％电阻器情况下，总容差为2.5％，若要达1.2％，百分比需要作的变化为2.5％一1.2％＝1.3％，那么K为0.013。

在下面情况中，连接线S1和S2需要作开路处理： ①Vout为低于标称值的(1／2)K时，断开S1， ②Vout为高于标称值的(1／2)K时，断开S2。

图2-5 使用专用集成块的锂电池充电器

由上面的各种充电器电路的介绍，可以发现充电器的充电方式大都是恒流、恒压方式，只有小部分电路采取单一的恒流或恒压充电方式。恒流、恒压充电的好处是：电池可以最大限度的充满，缺点是：电路复杂，成本较高。

而采用单一充电方式的充电器好处是：电路简单，制作容易，成本比较低。缺点是：电池容易损坏，而且电池不能最大限度的充满。使用专用集成块的充电器，设备简单，使用方便，但是集成块不易购买，所以也不符合本次毕业设计的要求。

2.2 本次毕业设计拟采用的充电器设计

根据充电器的一般组成方式和特点，以及现实的有关情况，将毕业设计的准智能锂电池充电器的基本框图设计如图2-6所示：

图 2-6 准智能锂电池充电器的基本框图

此框图包括了准智能锂电池充电器的基本组成部分，即多谐振荡器部分，充电执行电路部分，电池端电压检测部分，脉冲频率分配器部分以及电源部分组成。电源部分对各个部分提供稳定的电压，多谐振荡器部分产生一个1Hz的振荡频率，并触发脉冲频率分配器输出不同的电平，产生不同的电压，经分压后送到充电执行电路进行充电操作，而电池端电压检测部分则对电池电压进行监测，配合控制充电器的充电电流。以下将对各部分电路进行分析。

第三章 电路设计

综上所述：准智能锂电池充电器主要由多谐振荡器部分，脉冲频率分配器部分，充电执行电路部分，电池端电压检测部分以及电源部分构成。现将每部分电路分别进行设计。

3.1 电路各部分设计详细分析 3.1.1 电源部分

电子设备需要直流电源为其供电，以便使其内部的电子电路得到正常工作所必需的能源。考虑到成本问题，大多数电器的直流供电方式都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等步骤变换为所需的直流电压。完成这种变换任务的电源称为直流稳压电源。现代电器中常用的稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关型稳压电源。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源。它的成本较低，稳压性能好，输出波纹小，缺点是工作效率较低，在小功率应用场合用得最多。根据现实情况，以及具体要求，本次毕业设计采用的电源部分为线性稳压源。具体电路如图3-1所示：

图 3-1 电源部分原理图

电路图中，变压器的作用是把交流电网供给的220V、50Hz交流电变换为合适的数值；整流器将交流电转变为直流脉动电压；滤波器将脉动电压进行平滑；稳压器能够把输出的直流电压稳定在所希望的数值上。

交流220V的电压经变压器变压后，降至18V左右，经整流电路整流后，再经7815集成稳压器后形成15V的稳定的直流电压。

7800系列集成稳压器的最大输出电流为1.5A，要扩大输出电流除

了用外接大功率调整管外还可以用数个稳压器并联。W78系列称为“三端固定电压式集成稳压器”，它只有一个输入端、一个输出端和一个公共端，使用安装和三极管一样方便。国内的W78系列便是三端集成稳压器，它与国外的MC78、uA78等系列相同，因具有性能优良、可靠性高等优点、应用很广泛。

W78系列是具有固定输出电压分别为5V、9V、12V、15V、18V、24V的三端正输出稳压器，对应型号为W7805、W7809、W7812、W7815、W7818、W7824。这个系列的产品加上适当的散热器，输出电流可达1.5A。

W78系列三端集成稳压器有金属外壳封装和塑料封装两种形式，外形及在电路图中的常见画法如图3-2所示。

图3-2 W78的外形及常见画法

W78系列三端集成稳压器的原理方框图如图3-3所示。

图3-2 W78系列三端集成稳压器的原理方框图

由于W78系列三端集成稳压器的所有主要部分都已集成在管心上，通常在使用时只需接到整流滤波电路之后，而不必外接其它元件即可工作，这样就可简化电路板的设计，减小电源部分的体积。如果适当外接少量元件还可扩展其功能，如组成输出电压可调的稳压器。也可以将输出电压扩展到24V以上，增加扩流元件可把输出电流扩展到1.5A以上。

W78系列稳压器具有较完善的短路和限流保护、过热保护和调整管安全工作区保护电路，因而它的工作是比较可靠的。

3.1.2 多谐振荡器部分

多谐振荡部分其主要是由NE555时基集成电路构成的一个多谐振荡器以及相关外围电路组成。振荡频率由电阻和电容决定，最后输出约为1Hz的振荡频率。

多谐振荡器部分的电路原理图，如图3-4所示：

图3-4 多谐振荡器的电路原理图

参数计算如下：根据NE555所组成的振荡器的计算公式（详细介绍请见下文）f=1.443/(RA+2RB)C， 其中，f =1Hz，C=4.7u，设RA = RB ，可以计算出RA = RB =102.3K。

一、555时基集成电路

555时基集成电路由美国Signetics公司在1972年利用双极型技术(TTL)研制成功，因在设计时其基准电压网络由三个电阻值为5欧姆的电阻组成，故命名为NE555。由于555将模拟电路和数字电路巧妙地结合在一起，投入市场后被大量用于工业控制、仪器仪表、电子乐器、以及家用电器上，成为一种通用功能电路，因此经久不衰，方兴未艾。

555时基集成电路之所以得到这样广泛的应用，在于它具有如下几个特点：

1. 555在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成，它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡。它拓宽了模拟集成电路的应用范围。

2. 该电路采用单电源，双极型555的电压范围为4.5V~15V；而CMOS型的电源适应范围更宽，为2V~18V。这样，它就可以和模拟运算放大器和TTL或CMOS数字电路共用一个电源。

3. 555可独立构成一个定时电路，且定时精度高。

4. 555的最大输出的电流达200mA，带负载能力强。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。

555时基集成电路的封装外形一般有两种，一种是做成8脚圆形

TO-99型，如图3-5（a）所示；另一种是8脚双列直插式封装，如图3-5（b）所示，而常见的为双列直插式塑封形式。

图3-5 555时基集成电路管脚排列图

其实不论采用何种封装形式，555内部原理（如图3-6所示）以及管脚功能都完全一样，其各脚功能如下：

12345678

脚为电源地端；

脚为低触发端，采用低电平触发； 脚为输出端；

脚为复位端，采用低电平触发； 脚用于电压控制； 脚为高电平触发端； 脚为放电端；

脚为电压端，接电源正极。

图3-6 NE555时基集成电路内部原理图

COMS型555时基集成块与双极型的555管脚排列完全相同，国产的555与国外产品的管脚排列也一致，易于互换。同时应指出，COMS型555在绝大多数场合都可直接代替双极型555，但COMS型的驱动电流较双极型的更小，且多数电参数都有所改善，如静态电流300微安，

阈值端、触发端和复位端等的输入阻抗高达1010欧姆，电源电压的适应范围也加宽，为2~18V。

二、无稳态多谐振荡模式的工作原理

如图3-7所示，将555与三个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式。与单稳模式不同之处仅在于触发端（2脚）接在充、放电回路的C上，而不是受外部触发控制。

当加上VDD电压后，由于C上端电压不能突变，故555处于置位状态，输出端（3脚）呈高电平“1”，而内部的放电管VT1截止，C通过RA、RB对其充电，2脚电位随C上端电压的升高呈指数上升。

图3-7 无稳态多谐振荡器电路图

当C上的电压随时间增加，达到2/3VDD阈值电平（6脚）时，上比较器A1翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出V0呈低电平“0”。此时，放电管VT1饱和导通，C上的电荷经RB至VT1管放电。当C放电使其电压降至1/3VDD触发电平（2脚）时，比较器A2翻转，RS触发器复位，经倒相后，使输出端（3脚）呈电平“1”。以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。

由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间t1

就是C上的电压从1/3VDD充电到2/3VDD所需的时间，故C两端电压的变化规律为

-e-t/(R+R)C-t/(R+R)C

UC(t)=VDD(1AB)+1/3VDDeAB

设τ1=(RA+RB)C，则上式可化为UC(t)=VDD(1-2/3e-t/n)

从上式中求得

t1=-r1ln(1/2)=0.6932r1 一般简写为

t1=0.693(RA+RB)C

电路的间歇期t2就是C两端的电压从2/3VDD放电到1/3VDD所需的时间，即

UC(t)=-2/3VDD*e-t/RBC 从上式中可得t2，并设r2=RBC，则

t2=-r2ln(1/2)=0.6932r2 一般简写为

t2=0.693RBC 电路的振荡周期T为

T=t1+t2=0.693(r1+r2)=0.693(RA+2RB)C 振荡频率f=1/T，即

f=1.443/(RA+2RB)C (Hz) 输出振荡波形的占空比D为

D=t1/T=(RA+RB)/(RA+2RB) 当RB>>RA时，则D≈50%，即输出振荡波形为方波。 由上面有关公式的推导，不难得出以下结论：

（1）振荡周期与电源电压VDD无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅与RA、RB和C的值有关。

（2）振荡波的占空比与C的大小无关，而仅与RA、RB的大小比值有关。

3.1.3 脉冲频率分配器部分

脉冲频率分配器部分主要由CD4017和其它外围电路构成。当由NE555的3端输出的脉冲触发后，引起CD4017动作，使得Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5依次出现高电平，分别点亮LED1至LED6，可以让使用者直观的感受到不同的充电电流和电池电量。然后经不同的电阻分压，得到不同的输出电压。

分压公式为：V=Vout*R6/(R6+R)，其中，Vout =15V，R6=4.3K，R=2K可得到分压后的输出电压约为10V，依次可求得其它的分压电阻分压后的输出电压为9V、8V、7V和6V。而与LED相连的电阻的计算公式如下：R=(Vout-VLED)/ILED，其中Vout =15V，VLED为二极管管压降，等于2V，ILED为二极管的发光额定电流，约为2mA，根据上式可得，R=6.5K。但是在这里采用的是7.5K。

图3-8 脉冲频率分配器的电路原理图

CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器，提供了快速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。

CD4017 提供了16 引线多层陶瓷双列直插(D)、熔封陶瓷双列直插(J)、塑料双列直插(P)和陶瓷片状载体(C)4 种封装形式。

推荐工作条件

电源电压范围：3V-15V 输入电压范围：0V-VDD 工作温度范围

M 类：55℃-125℃ E 类：40℃-85℃ 极限值

电源电压：-0.5V ~18V 输入电压：-0.5V~VDD +0.5V 输入电流：±10mA

贮存温度：-65℃~150℃

引出端功能符号

CO：进位脉冲输入端 CP：时钟输入端 CR：清除端 INH：禁止端

Q0~Q9 计数脉冲输出端 VDD：正电源 VSS：地

图 3-9 CD4017集成电路管脚排列图

3.1.4 充电执行电路部分

充电执行部分主要由W317及其它外围电路构成。电路如图3-10所示。

`图 3-10 充电执行电路部分原理图

由CD4017输出的电压通过分压电阻分压后，得到不同电压值的电压，然后送到由线性集成稳压器W317构成的充电执行电路进行充电。电阻计算如下：Ri=RVi/(Vout-Vi) ，其中Vout =15V，Vi =6V、7V、8V、9V、10V，R=2K，根据公式可得出各个电阻分别为4K、3K、2.28K、1.75K、1.33K。而W317的两端所接的大功率电阻的计算公式如下：R=Vout/I ，其中Vout=15V，I=10mA，可以计算出电阻R=1.5K。

三端可调式稳压器W317的外形如图3-11所示，它没有接地端，采用只有“输入端”、“输出端”和“调整端”的悬浮式电路结构。W317具有较高的性能指标，它的电压调整率可达0.02%，电流调整率可达0.1%以上，波纹抑制比为66dB。

图3-11 W317的外形框图

3.1.5 电池端电压检测部分

这部分的电路如图3-12所示，

图3-12 电池端电压检测电路原理图

本部分主要由集成运算放大器uA741以及相关外围电路组成。它的原理是uA741的同向输入端接锂电池的正极与反向输入端所接的3V稳压管相比较，如果锂电池电压高于3V，uA741就输出一个高电平送到CD4017，然后再由CD4017送出电压到W317开始下一阶段的充电。而当电池端电压高于所设定的截止电压时，它将输出一个低电平，从而使CD4017停止工作，使得+15V的电压通过R1直接充电，充电器工作在涓流充电状态。

参数计算如下：(VImin-VZ)/R-VZ/RLmin>IZK （式1） (VImax-C)/R-VZ/RLmax其中，VImin = VImax =15V，V=3V，IZK =1mA， IZM =25mA， RLmin = RLmax =∞，

根据上述式子与参数可以计算出电阻R在2.1K~12K之间，根据比较，试验，发现电阻取7.5K时的效果最好，所以电阻值取7.5K。

由于电阻和电位器组成的电压比较器是将充电电池的电压与稳压管的电压相比较，所以电池两端的电阻计算式如下：(V电池-VZ)/(R1-RX)=VZ/[R2-(R-RX)]，其中的参数如下：V电池为锂电池的充电截止电压，设为4V，VZ为稳压管的额定电压等于3V，可以得出下式，(4-3)/(R1-RX)=3/[R2-(R-RX) ，在这里把电位器的电阻设为2K，RX为电位器的上端电阻，假设是在中点，所以RX =1K，可以进一步得到1/(R1-1)=3/(R2-1)，假设，R1等于10K，则R2为30K。

集成运算放大器简称运放，它有同相和反相两个输入端，一个输出端以及正负电源端。当同相输入端的电压稍有增大时，输出端电压就会大幅度增加。 而当反相输入端的电压稍有增大时，输出端电压就会大幅度减小。利用它的这个特征，人们将集成运算放大器广泛地应用在工农业生产，电子设备等方面。

uA741是最常用的集成运算放大器之一，其电路符号如图3-13，管脚排列如图3-14所示：

图3-13 图3-14

根据各部分的分析总结出一个最终方案，然后用ProTel99 SE画出整个电路原理图。设计的整个电路的工作流程为：IC2为脉冲频率6分配器部分，IC3为充电执行电路部分。通电后IC2复位，Q0输出高电平，这时IC3输出电压仅1.25Ｖ，电路由+15Ｖ经R1给电池提供约10mＡ的充电电流。通电后IC1起振，其③脚输出的脉冲触发IC2工作，使输出端Q1～Q5依次出现高电平，经不同的分压电阻分压后，IC3的输出电压按6V、7V、8V、9V、10Ｖ依次递增，充电电流也因此在70mＡ至270mＡ之间依次递增。当Q6输出高电平时IC2被复位，此后电路在IC1输出脉冲的作用下重复上述过程。

锂电池的标称电压为3.6Ｖ，放电至３Ｖ即需充电，终止充电电压最高为4.2Ｖ。IC4构成电池端电压检测电路，其门限电压即电池充电终止电压通过RP在４～4.2Ｖ范围内设定。电池刚充电时的端电压低于检测电路的门限电压，IC4输出低电平，这时IC2的Q0～Q5均能依次循环呈现高电平，使充电电流在10mA～270mＡ之间阶跃循环变化，即Q0＝１时充电电流约为10mＡ，Q1＝０时阶跃至70mＡ……，Q5＝１时阶跃至最大，约270mＡ。电池充进一定电量后，其端电压升高，且大电流充电时呈现的电压比小电流充电时更高。因此，经过一段时间的充电，会出现当Q5＝１、充电电流约为270mＡ时，电池端电压瞬间超过终止充电电压设定值的情况，致使IC4输出高电平，IC2被强制复位，最大充电电流自动改为220mＡ（对应于Q4＝１）。继续充电，又会出现220mＡ充电电流使电池端电压超过设定值的情况，因此IC2当其Q4＝１时即被强制复位，最大充电电流又改为170mＡ（对应于Q3＝１）。电池电量越充越足，最后，70mＡ充电电流（对应于Q1＝１）能使电池端电压超过设定值，于是IC2的状态停留在Q0为高电平上，+15Ｖ通过R1给电池以10mＡ的涓流充电。LED1～LED6用作充电状态指示，同时也是电池容量指示。全亮表示电池正在全流充电，仅LED1亮表示充电过程以结束，处于涓流充电状态。