采用LM3S1138的電能收集充電器的設計

本文針對鋰離子可充電池的充放電特性及實際使用中的需求，利用新型的嵌入式芯片LM3S1138為主控制器，在鋰離子電池充電的過程中，進行智能控制，嚴格控制充電電流、電壓、溫度等物理參數，從而實現數字化、智能化、節能化的特點。

1 電能收集充電器硬件設計

電能收集充電器的硬件設計，主要包括直流電源、電源變換器、EasyARM1138、PWM發生器、采樣電路、可充電池等部分的設計與整合，形成一個循環系統。其電路模塊如圖1所示。



1.1 EasyARM1138嵌入式微處理器

EasyARM1138嵌入式微處理器采用了Luminary Micro公司Stellaris系列基于Cortex-M3內核的LM3S1138芯片，該芯片包含一個低壓降的穩壓器，集成的掉電復位和上電復位功能，仿真比較器，10 bit的ADC，SSI，GPIO，看門狗和通用定時器，UART，I2C及運動控制的PWM等各種豐富的外設功能，可直接通向GPIO管腳，不需要特性的復用。非常適合用作智能型充電器的控制單元。

EasyARM1138的任務是從采樣電路處實時采集電池的充電狀態，通過計算決定下一階段的充電電流，并產生合適的PWM信號來控制充電電流；通過UART、LCD來實時地傳輸和顯示采樣數據，采集的電池參數不正常時，可以產生報警信號。

1.2 電源變換和控制電路

1.2.1 BUCK電源變換電路

在電能收集過程中，充電器通過控制電壓或者電流來實現不同的充電策略。設計采用容易控制的、效率高的BUCK變換器。BUCK變換器是用EasyARM1138產生的PWM信號控制的，通過控制PWM的占空比，來控制開關管Q2輸出電壓或者電流。BUCK變換電路如圖2所示。



Vi、Vo分別為輸入輸出電壓，D1是續流二極管。BUCK變換器的工作原理：當PWM輸出高電平時，開關管導通，電流通過晶體管和電感到電池。在這一階段，電感吸收能量，電容被充電。當PWM輸出低電平時，開關管關斷，電流經二極管D1續流，電感兩端的電壓反向，電流由二極管提供。電感和電容作為濾波器輸出電壓和電流。

1.2.2 PWM發生器

PWM發生器集成在EasyARM1138系統中，利用定時器(Timer)模塊的16 bit PWM功能來產生PWM信號。在PWM模式中，TimerA或TimerB配置為16 bit元元元的遞減計數器，通過設置適當的裝載值(決定PWM周期)和匹配值(決定PWM占空比)來自動產生PWM方波信號，并從相應的CCP管腳輸出。

本方法的基本思想是利用EasyARM1138所具有的PWM(CCP)管口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調整PWM控制寄存器來調整PWM的占空比，從而控制充電電流。在調整充電電流前，處理器先快速讀取充電電流的大小，然后把設定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較。若實際電流偏小，則向增加充電電流的方向調整PWM的占空比；若實際電流偏大，則向減小充電電流的方向調整PWM的占空比。在軟件PWM的調整過程中要注意ADC的讀數偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術平均法等數字濾波技術。

1.3 采樣電路

采樣包括對充電電流和充電電池端電壓的采樣。采樣的電壓和電流經EasyARM1138中的1個集成的10 bit ADC模塊送到LM3S1138控制芯片中，LM3S1138對數據進行處理與保存。ADC模塊支持8個輸入通道，輸出最大誤差為±3 mV，±3.3 V電源供電，并含有4個可編程的序列發生器，這些序列發生器可在無需控制器干涉的情況下對多個模擬輸入源進行采樣。電流與電壓采樣原理圖如圖3所示。