基于LM3S1138的电能收集充电器的设计

本文针对锂离子可充电池的充放电特性及实际使用中的需求，利用新型的嵌入式芯片为主控制器，在锂离子电池充电的过程中，进行智能控制，严格控制充电电流、电压、温度等物理参数，从而实现数字化、智能化、节能化的特点。

1 硬件

的硬件，主要包括直流电源、电源变换器、EasyARM1138、PWM发生器、采样电路、可充电池等部分的与整合，形成一个循环系统。其电路模块如图1所示。



1.1 EasyARM1138嵌入式微处理器

EasyARM1138嵌入式微处理器采用了Luminary Micro公司Stellaris系列Cortex-M3内核的芯片，该芯片包含一个低压降的稳压器，集成的掉电复位和上电复位功能，仿真比较器，10 bit的ADC，SSI，GPIO，看门狗和通用定时器，UART，I2C及运动控制的PWM等各种丰富的外设功能，可直接通向GPIO管脚，不需要特性的复用。非常适合用作智能型的控制单元。

EasyARM1138的任务是从采样电路处实时采集电池的充电状态，通过计算决定下一阶段的充电电流，并产生合适的PWM信号来控制充电电流；通过UART、LCD来实时地传输和显示采样数据，采集的电池参数不正常时，可以产生报警信号。

1.2 电源变换和控制电路

1.2.1 BUCK电源变换电路

在过程中，充电器通过控制电压或者电流来实现不同的充电策略。设计采用容易控制的、效率高的BUCK变换器。BUCK变换器是用EasyARM1138产生的PWM信号控制的，通过控制PWM的占空比，来控制开关管Q2输出电压或者电流。BUCK变换电路如图2所示。



Vi、Vo分别为输入输出电压，D1是续流二极管。BUCK变换器的工作原理：当PWM输出高电平时，开关管导通，电流通过晶体管和电感到电池。在这一阶段，电感吸收能量，电容被充电。当PWM输出低电平时，开关管关断，电流经二极管D1续流，电感两端的电压反向，电流由二极管提供。电感和电容作为滤波器输出电压和电流。

1.2.2 PWM发生器

PWM发生器集成在EasyARM1138系统中，利用定时器(Timer)模块的16 bit PWM功能来产生PWM信号。在PWM模式中，TimerA或TimerB配置为16 bit元元元的递减计数器，通过设置适当的装载值(决定PWM周期)和匹配值(决定PWM占空比)来自动产生PWM方波信号，并从相应的CCP管脚输出。

本方法的基本思想是利用EasyARM1138所具有的PWM(CCP)管口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。在调整充电电流前，处理器先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较。若实际电流偏小，则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大，则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。

1.3 采样电路

采样包括对充电电流和充电电池端电压的采样。采样的电压和电流经EasyARM1138中的1个集成的10 bit ADC模块送到控制芯片中，LM3S1138对数据进行处理与保存。ADC模块支持8个输入通道，输出最大误差为±3 mV，±3.3 V电源供电，并含有4个可编程的序列发生器，这些序列发生器可在无需控制器干涉的情况下对多个模拟输入源进行采样。电流与电压采样原理图如图3所示。