The design of the lithium battery charger
Li-Ion rechargeable batteries are finding their way into many applications due to their size, weight and energy storage advantages.These batteries are already considered the preferred battery in portable computer applications, displacing NiMH and NiCad batteries, and cellular phones are quickly becoming the second major marketplace for Li-Ion. The reason is clear. Li-Ion batteries offer many advantages to the end consumer. In portable computers,Li-Ion battery packs offer longer run times over NiCad and NiMH packs for the same form factor and size, while reducing weight. The same advantages are true for cellular phones. A phone can be made smaller and lighter using Li-Ion batteries without sacrificing run time. As Li-Ion battery costs come down, even more applications will switch to this lighter and smaller technology. Market trends show a continual growth in all rechargeable battery types as consumers continue to demand the convenience of portability. Market data for 1997 shows that approximately 200 million cells of Li-Ion will be shipped, compared to 600 million cells of NiMH. However, it is important to note that three cells of NiMH are equivalent to one Li-Ion cell when packaged into a battery pack. Thus, the actual volume is very close to the same for both. 1997 also marked the first year Li-Ion was the battery type used in the majority of portable computers, displacing NiMH for the top spot. Data for the cellular market showed a shift to Li-Ion in the majority of phones sold in 1997 in Europe and Japan.Li-Ion batteries are an exciting battery technology that must be watched. To make sense of these new batteries, this design guide explains the fundamentals, the charging requirements and the circuits to meet these requirements.
Along with more and more the emergence of the handheld electric appliances, to the high performance, baby size, weight need of the light battery charger also more Come more big.The battery is technical to progress to also request continuously to refresh the calculate way more complicatedly is fast with the realization, safety of refresh.Therefore need Want to carry on the more accurate supervision towards refreshing the process, to shorten to refresh time and attain the biggest battery capacity, and prevent°from the battery Bad.The AVR has already led the one step in the competition, is prove is perfect control chip of the next generation charger. The microprocessor of Atmel AVR is current and can provide Flash, EEPROM and 10 ADCses by single slice on the market Of 8 RISC microprocessors of the tallest effect.Because the saving machine of procedure is a Flash, therefore can need not elephant MASK ROM Similar, have a few software editions a few model numbers of stock.The Flash can carry on again to weave the distance before deliver goods, or in the PCB Stick after pack carry on weaving the distance through an ISP again, thus allow to carry on the software renewal in the last one minute.
The EEPROM can used for conservancy mark certainly coefficient and the battery characteristic parameter, such as the conservancy refreshes record with the battery that raise the actual usage Capacity.10 A/ Ds conversion machine can provide the enough diagraph accuracy, making the capacity of the good empress even near to its biggest capacity. And other project for attaining this purpose, possible demand the ADC of the exterior, not only take up the space of PCB, but also raised the system Cost.
The AVR is thus deluxe language but 8 microprocessors of the designs of unique needle object' C' currently.The AT90S4433 reference The design is with' C' to write, the elucidation carries on the software designs is what and simple with the deluxe language.Code of C this design is very Carry on adjust easily to suit current and future battery.But the ATtiny15 reference design then use edit collected materials the language to write of, with Acquire the biggest code density.
An electric appliances of the modern consumption mainly uses as follows four kinds of batteries:
1.Seal completely the sour battery of lead( SLA)
2.The battery of NiCd
3.The NiMHhydrogen battery( NiMH)
4.Lithium battery( Li- Ion)
At right choice battery and refresh the calculate way need to understand the background knowledge of these batteries. Seal completely the sour battery( SLA) of lead seals completely the sour battery of lead to mainly used for the more important situation of the cost ratio space and weights, such as the UPS and report to the police the backup battery of the system.
The battery of SLA settles the electric voltage to carry on , assist limits to avoid with the electric current at refresh the process of early battery lead the heat.Want ～only the electricity .The pond unit electric voltage does not exceed the provision( the typical model is worth for the 2.2 Vs) of produce the company, the battery of SLA can refresh without limit.
The battery of NiCd battery of NiCd use very widespread currently.Its advantage is an opposite cheapness, being easy to the usage;Weakness is from turn on electricity the rate higher.The battery of NiCd of the typical model can refresh 1,000 times.The expired mechanism mainly is a pole to turn over.The first in the battery pack drive over.The unit that all turn on electricity will take place the reversal.For prevent°froming damage the battery wrap, needing to supervise and control the electric voltage without a break.Once unit electric voltage Descend the 1.0 Vs must shut down.
The battery of NiCd carries on refresh in settling the electric current by forever . The NiMH hydrogen battery( NiMH) holds to shoot the elephant machine 26 such as the cellular phone, hand in the hand that the importance measure hold equipments, the etc. NiMHhydrogen battery is an usage the most wide.This kind of battery permit.The quantity is bigger than N
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锂电池充电器的设计
根据其尺寸，重量和能量储存优点，锂-离子可再充电电池正在被用于许多的应用领域。这些电池已经被考虑为优先的电池于手提式计算机的应用,移置 NiMH 和 NiCad电池,而且行动电话正在飞快地成为锂电池的第二个主要的市场。理由是明显的，锂-离子的电池为终端消费者提供很多的好处。对于手提式计算机来说,锂-离子电池在相同条件和大小并减少重量的情况下能够提供比 NiCad和NiMH更为持久的电力。相同的优点对于蜂窝电话更是真实的。如果使用锂-离子的电池的话，一个电话能被做得更小和更轻且不牺牲续航时间。 当锂- 离子的电池费用降下来的话,甚至更多的应用将会转变到这一个更轻巧和更小巧的技术上来。当消费者一直要求方便的时候，市场的趋势表明一个持续不断的增长在所有的可再充电的电池中。根据以前市场的资料表明，大约在 1997年的时候大约二亿个锂-离子电芯将会被装船运送,相比较于600百万个NiMH的电芯。然而,有必要说明的是，在被包裹为电池包装的时候，三个NiMH 的电芯相当于一个锂- 离子的电芯。因此，真实的体积对两者来说是非常接近的。1997年也被标记为锂- 离子作为电池类型用于大多数的手提式的计算机中的第一年, 移置 NiMH 为高端领域中。资料显示1997年在欧洲和日本电池电芯市场对于锂-离子在多数的电话的应用中表现出一个变化。锂-离子的电池是一种令人兴奋的电池技术，因此必须给于高度的关注。要想了解这些新的电池，这引导设计者解释这些原则，要价需求以及符合这些需求的线路。
随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全的充电。因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间、达到最大的电池容量，并防止电池损坏。AVR6已经在竞争中领先了一步，被证明是下一代充电器的完美控制芯片。Atmel AVR 微处理器是当前市场上能够以单片机方式提供Flash、EEPROM 和10 位ADC的最高效的8 位RISC 微处理器。由于程序存储器为Flash，因此可以不用象MASK ROM一样，有几个软件版本就库存几种型号。Flash可以在发货之前再进行编程，或是在PCB贴装之后再通过ISP 进行编程，从而允许在最后一分钟进行软件更新。EEPROM 可用于保存标定系数和电池特性参数，如保存充电记录以提高实际使用的电池容量。10位A/D 转换器可以提供足够的测量精度，使得充好后的容量更接近其最大容量。而其他方案为了达到此目的，可能需要外部的ADC，不但占用PCB 空间，也提高了系统成本。AVR 是目前唯一的针对象“C”这样的高级语言而设计的8 位微处理器。AT90S4433 参考设计就是用“C”写的，说明用高级语言进行软件设计是多么的简单。C代码似的此设计很容易进行调整以适合当前和未来的电池。而ATtiny15 参考设计则是用汇编语言写的，以获得最大的代码密度。
现代消费类电器主要使用如下四种电池：
密封铅酸电池 (SLA)
镍镉电池 (NiCd)
镍氢电池(NiMH)
锂电池(Li-Ion)
在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。
密封铅酸电池(SLA) 密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合，如UPS和报警系统的备份电池。SLAp9电池以恒定电压进行充电，辅以电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。只要电池单元电压不超过生产商的规定( 典型值为2.2V)， SLA 电池可以无限制地充电。镍镉电池(NiCd) NiCd 电池目前使用得很普遍。它的优点是相对便宜，易于使用；缺点是自放电率比较高。典型的NiCd 电池可以充电1,000次，失效机理主要是极性反转。在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。为了防止损坏电池包，需要不间断地监控电压。一旦单元电压下降到1.0V 就必须停机。NiCd 电池以恒定电流的方式进行充电。镍氢电池(NiMH) 在轻重量的手持设备中如手机、手持摄象机，等等镍氢电池是使用最广的。这种电池的容量比NiCd 的大。由于过充电会造成NiMH 电池的失效，在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。和NiCd 电池一样，极性反转时电池也会损坏。NiMH 电池的自放电率大概为20%/ 月。和NiCd 电池一样，NiMH 电池也为恒定电流充电。
锂电池 (Li-Ion) 和本文中所述的其他电池相比，锂电池具有最高的能量/ 重量比和能量/ 体积比。锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。过充电将造成电池损坏，甚至爆炸。在电池的安全充电这个方面现代的快速充电器( 即电池可以在小于3 个小时的时间里充满电，通常是一个小时) 需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。充电方法SLA 电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流；NiCd 电池和NiMH 电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。最大充电电流与电池容量(C) 有关。最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。例如，电池的容量为750 mAh，充电电流为750 mA，则充电电流为1C (1 倍的电池容量)。若涓流充电时电流为C/40，则充电电流即为电池容量除以40。过热电池充电是将电能传输到电池的过程，能量以化学反应的方式保存了下来。但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能，一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。当电池充满后，若继续充电，则所有的电能都将转化为电池的热能。在快速充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电就会造成电池的损坏。因此，在设计电池充电器时，对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。
停止充电的判别方法电池的不同应用场合及工作环境限制了对判断停止充电的方法的选择。有时候温度不容易测得，但可以测得电压，或者是其他情况。本文以电压变化率(-dV/dt)为基本的判断停止充电的方法，而以温度和绝对电压值为辅助和备份。但是本文所描述的硬件支持以下讲述的所有的方法。
t – 时间，这是决定何时停止充电的最简单的方法。通常用于快速充电时的后备方案。有时也作为普通充电 (14 - 16 小时) 方法的基本方案。适用于各种电池。
V – 电压，当电压超出上限时停止充电。通常与恒定电流充电配合使用。最大电流由电池决定，通常为1C。为了防止充电时电流过大导致电池过热，此时电流限制是非常关键的。这个方法是锂电池的基本充电和停止方案。实际锂电池充电器往往在达到最大电压之后还继续进行第二阶段的充电，以达到100% 的电池容量。对于NiCd 电池和NiMH 电池本方法可以作为后备的判断停止充电方案。
-dV/dt – 电压变化率，这个判断停止充电的方法利用了负的电压变化率。对于某些类型的电池，当电池充满后继续充电将导致电压的下降。此时本方案就非常合适了。这个方法通常用于恒定电流充电，适用于对NiCd文电池和NiMH 电池的快速充电。
I – 电流，当充电电流小于某个预先设定的数值时停止充电。通常用于恒定电压充电法。适用于SLA电池和锂电池。T – 温度绝对温度可以作为NiCd 电池和NiMH电池停止充电的依据，但是更适合于作为备份方案。温度超出设定值时任何电池都得停止充电。
dT/dt – 温度上升速率，快速充电时温度的变化率可以作为停止充电的依据。请参考电池生产商的规范(NiCd电池的典型值为1oC/min) – 适用于NiCd 电池NiMH 电池。
DT – 超出环境温度的温度值，当电池温度和环境温度之差超过一定门限时需要停止充电。此方法可以作为NiCd 电池和SLA 电池停止充电的方案。在寒冷环境中充电时这个方法比绝对温度判定法更好由于大多数系统往往只有一个温度探头，只好将充电之前的温度作为环境温度。
dV/dt = 0 – 零电压差，这个方法与-dV/dt 方法极其类似，而且在电压不会再升高的情况下更准确。 适用于NiCd电池和NiMH 电池。本参考设计完全实现了电池充电器设计的最新技术，可以对各种流行的电池类型进行快速充电而无须修改硬件，从而围绕单个硬件平台实现一个完整的充电器产品系列。只需要将新的充电算法通过ISP用下载到处理器的FLASH 存储器就可以得到新的型号。很显然，这种方法可以大大缩短新产品上市的时间，而且只需要库存一种硬件。本设计提供完整的适合SLA、NiCd、NiMH 和Li-Ion 电池的库函数。
在全球无线连接的时代，几乎没有什么比让一个智能手机或移动互联网设备保持带电更重要了。便携式和手持设备功能的扩展性不断提高成为电池充电器集成电路设计者的一个重大挑战。高分辨率的屏幕和更大的储存能力并加上新的功能赋予电池，这就需要对电池充电器的技术要求，不仅要更有效率，同时要具有配电管理的能力。
通过优化电源消耗来延长电池的寿命是掌上型电源管理的驱动力。但是当把手持的设备插入墙上，期望对他们进行充电时有有效地变化。最新一代采用高效率开关设计的充电器会代替传统的线性充电器。今天的客户仍旧需求更短的充电周期对其电池充电。相比传统的线性充电器，采用开关充电器的好处，除了效率高之外，还有一个很大的优点是通过电源提供能够促进充电电流。特别重要的是，当供电结束时USB接口处的电流可以实现被限制在小于500mA。更高的充电电流等于充电周期更短，这就满足了客户的期望。
当今有两种被大多数手持设备使用的电池充电器---线性充电器和开关充电器。线性充电器有一段较长的历史。他们通常提供了相对高效，简单的方式对便携设备充电，同时产生噪音极小且不需要很多的外部元器件。但是，随着便携式设备变得更加复杂和添加新的功能层，他们就需要更大的电池容量。由于功能损耗，线性充电器呈现出不足，这很容易知道，假如用户想要对设备充电，且在同一时间又使用。同时使用设备和对其进行充电产生的热量会损坏系统或电池。这将会导致不好的结果。
另一种选择是开关充电器，或者是开关模式电池充电器集成电路，它可以提供更高的电流水平，但却需要尽可能少的功率。历史上，这些类型的集成电路经常存在一些噪音的问题。此外，一些早期的几代开关模式的设备需要一些外部元件。
然而，开关模式的电池拓扑结构的好处是显而易见的。它们包括提高效率和降低功耗，以及快速的充电周期。这些器件也都能够由高的输入电压进行充电，这就可以允许使用较低成本无管制的适配器。他们可以从电流限制的能源中增加充电电流。
因此我们试着研究微型计算机8051系统太阳能电池供电与双充电电池之设计与建构，单片机系统电流控制和信息应用领域正变得越来越普及。然而，由于其电池能量的限制，如果单个可充电电池提供电量，那么这些系统有一个非常受限制的操作时间或充电周期。我们为采用双充电电池是由太阳能电池供电微机8051系统的软件和硬件提出了设计和实施。从为双电池系统随机充电和放电过程中排队模型可行性分析，由于天气条件和用户操作行为的随机性特征，我们可以证实，此模型的平均运行时间可远远长于由单个可充电电池供电的平均运行时间。我们设计的实验结果也表明和我们的模型大致相同。随着三分之二的利用率，我们可以得到一个平均运行时间的四倍在理论结果一样长，并且三分之二实验结果比用单一的可充电电池供电的时间长。此外，该技术的发展趋势表明，对于一个典型的微机系统的用电率正在下降，为典型的太阳能电池发电效率正在增加。因此，太阳能电池作为通过用双充电电池为微型计算机8051系统充电的充电电池在不久的将来是可行的。
在过去的几年里，微型计算机系统的设计研究人员使用不同水平的低功率技术进行研究工作。就系统、电路和设备节能方面来说，结果表明，从1992至1997年每年一台微机电脑的平均功耗减少超过20％，从1998年至2001年每年一台微机电脑的平均功耗减少到10％。功耗的降低是很重要的，这是因为它有潜能延长便携式设备再次充电的周期。电池需要再次充电前的运行时间越长，则对移动的用户操作便携式微机系统越方便。
最终，一个单片机系统的功耗将足够小到可以提供或通过其他的能源再次充电。其中一个能源是机械振动。在其他的能源之中，我们先前提到的太阳能电池可作为能量供应能源。尽管当前的MC -硅太阳能电池发电效率还不够高，但是他们的工作效率从1990年到1997年由14.2％上升到了16.8％。这种改善可以减少由一个微机系统提供的电源充电和放电速率之间的差距，因此在一定的操作时间能量的衰竭的概率每年是减少的。
为了延长电池在再次充电前的使用时间，我们在这篇文章中提出了一个8051单片机带有双电池通过太阳能充电系统的软件和硬件模块。在其设计和实现的基础上，这篇文章也提出了估计电量用尽的可能性与依靠太阳能电池的发电效率和微型机的用电率进行实验测量运行时间。此外，由于充电和放电期间的存在重叠部分，如果充电和放电的速度之比为三分之二，那么，电池使用时间可能会被延长相比一个可充电的电池的使用时间的四倍。
剩下的部分安排如下。在第二部分中，相对于微机的能量损耗和太阳能电池的发电效率技术的发展趋势进行了讨论。在第三部分中，单片机的两个可充电电池的随机充电和放电的行为排队模型准备好。此外，在单片机系统的双充电电池的可行性估计已给出。在第四部分和第五部分，给出了本系统的软件和硬件模块的设计和实现。在第六部分中，本系统的实验结果已给出。最后一个部分给出了结论。
我们已经提出了用太阳能电池充电的双电池供电的8051单片机系统的设计与实现。所使用的硬件组件是非常普遍且低成本的。控制程序的设计采用了汇编语言常见的种类。该实验系统已显示出非常稳定的运行状态。从我们对理论和实验结果的观察，我们得出的结论是，这种双电池的设计有能力延长这样一个微型电脑平均运行时间的两倍。对于我们的设计中三分之二的利用率，从理论结果上说，我们可以得到四倍的单电池设计的平均运行时间，从实验结果上说，我们可以得到3.5倍的平均运行时间。理论结果与实验结果
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