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摘 要：为了拓展便携设备的作业半径，能够给不同规格可充电电池充电并且外形尺寸小巧的充电器越来越被需要，本设计能够给18650锂离子电池进行充电;同时可兼容5号镍氢电池和7号镍氢电池。采用STM32单片机和LT3796 DC/DC 控制器设计的一款通用充电器，可以实现对三种电池的识别，并对1～4节电池进行快速和标准充电，电路所需元件较少，能够满足产品的小型化设计。
关键词：通用充电器; STM32单片机;LT3796 DC/DC 控制器;充电控制
0 引言
在目前许多领域，如森林、消防、野外作业等，使用的便携式设备种类繁多，这些便携设备的能源供应是各种规格的可充电电池，比较普遍的电池有18650锂离子电池、5号镍氢电池和7号镍氢电池。设计开发一种通用充电器，能兼容三种规格电池，四个通道，能够识别电池种类，并根据不同规格的电池特性进行正常充电和快速充电;每个通道具有状态指示灯，能通过颜色变化对充电状态、充电结束状态、电池检测结果作出相应指示;每个通道输出具有短路保护、反接保护和过熱保护功能。
1 设计原理
通用充电器的设计要满足不同规格的电池其不同的充电性能。18650锂离子电池，标准的充电过程是以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.2V时，改为恒压充电，保持充电电压为4.2V，此时充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。5号镍氢电池和7号镍氢电池，标准的充电过程是以设定的电流进行恒流充电，限定的时间到或充电到后期电池电压下降到最高点以下5mV时，充电结束。
通用充电器接通电源，四个通道指示灯根据电路检测判断各通道状态并给出对应指示。
当电路识别到是18650锂离子电池时（其容量为3Ah），并且是未充满状态，控制电路对电池提供650mA标准充电电流，如果判断快充按键按下，提供1200mA快充电流;当检测到电池电压升至4.2V时，充电方式改为4.2V恒压充电，直至充电电流低于设定充电电流的1/10时，充电结束，自动断开充电回路，通道指示灯显示充满状态。
当电路识别到是5号规格镍氢电池（其容量为1.8Ah）或是7号规格镍氢电池（其容量为0.8Ah），并且是未充满状态，控制电路对电池提供400mA标准充电电流，如果判断快充按键按下，提供850mA快充电流;当电路判断相应电池的充电限制时间到或判断相应电池电压下降到最高点以下5mV时，充电结束，自动断开充电回路，通道指示灯显示充满状态。
2电路设计
2.1 通用充电器组成
通用充电器由电源适配器、直流电缆、主机组成。
考虑到通用充电器电源的来源可能是市电，也可能是交通设备等，电源适配器为AC220V转DC24V，通过直流电缆与主机连接;直流电缆接口考虑可以连接适配器，也兼容DC24V蓄电池等。通用充电器组成框图见图1。
2.2 通用充电器主机组成
通用充电器主机的电路设计需要与结构设计机密联系，其组成包括控制板、正极板、负极板、负极转接板、显示按键板、连接线束。
主控制板为通用充电器的核芯，通过正极板和负极转接板识别电池种类，控制充电方式和充电过程，检验电池的状态;通过显示按键板显示各通道电池所处状态，判断按键操作给出相应的控制。
正极板设计四个电池正极接触件，通过接插件与主控制板连接。
负极板设计四个电池负极接触件，又通过两个接触件与负极转接板连接，根据电池规格不同，负极板与负极转接板连接的位置不同。设计了四个热敏电阻检测电池温度。
负极转接板设计六个弹性接触件，按照不同电池规格分成三排，负极板连接负极转接板位置确定了电池种类。
显示按键板设计了六个三色LED，其中四个LED为四个通道状态显示，两个LED为按键状态指示;设计了两个按键，功能分别为快充按键和检测按键。
通用充电器主机组成框图见图2。
2.3 主控制板电路设计
主控制板控制中心采用STM32单片机与LT3796 DC/DC 控制器相结合作为控制核心，包括单片机电路、四路充电电路、四路充电电流调节电路、四路电池电压检测电路、四路充电开关电路、电源电路、接口电路，主控制板原理框图如图3所示。
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。增强型STM32F103系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品。内置256K的闪存;时钟频率72MHz时，最大功耗70mA，是32位市场上功耗最低的产品。芯片具备80路I/O通道，可灵活配置成16路12bit A/D采集通道，2路D/A接口等。
LT3796是一款DC/DC控制器，专为调节一个恒定电流或电压而设计。该器件从一个内部已调7.7V电源来驱动一个低端外部N沟道功率MOSFET。固定频率和电流模式架构在一个很宽的电源和输出电压范围内实现稳定的操作。其特点包括宽输入电压范围（6V至100V）、高端PMOS断接和PWM开关驱动、恒定电流和恒定电压调节、双电流检测放大器、用于电池和超级电容充电的C/10检测、短路保护、可调频率（100KHz至1MHz）等。
2.3.1 充电电路
充电电路是以LT3796为核心，配合较少的外部元件组成，充电方式采用先恒流充电后恒压充电，电路图见图4。
恒流充电时，充电电流与N1（LT3796）的9脚CTRL电压相关（CTRL电压值VCTRL见充电电流调节电路）;充电电流的计算公式如下（其中：R5=0.2Ω）。
I=（VCTRL-100mV）/（R5*4）………………0.1V<VCTRL>1V I=250mV/R5………………VCTRL>1.2V
恒压充电与N1的7脚FB1电压（VFB1）有关，当电池充电电压达到4.2V时，VFB1>1.25V，充电进入恒压（4.2V）充电，VFB1计算公式如下（其中：BAT1为电池电压）。
VFB1=BAT1*R16/（R16+R14+R15）
充电电流检测可通过采样N1的5脚电压（VISMON）计算得到，计算公司如下。
VISMON=I*R5*4
N1的15脚（FAULT）为报警输出，通过上拉电阻正常情况下输出高电平，当出现VFB1>1.3V、INTVcc欠压、V（ISP-ISN）>375mV非正常情况是，此引脚输出低电平。
2.3.2 充电电流调节电路
充电电流取决于LT3796的9脚VCTRL，VCTRL的大小由如图5电路实现调节。
VREF是LT3796的10脚一个基准电压2.015V输出，PD8和PD9连接单片机STM32F103的两个I/O，单片机根据识别的电池种类控制这两个管脚输出高电平或低电平，以控制MOS管V1和V2导通或截止，导致VCTRL的电压值的分压关系不同，得到的值便不同。VCTRL有四个值的变化，计算公式如下：
① VCTRL=VREF*R1/（R1+R7）;② VCTRL=VREF*R2/（R2+R7）;VCTRL=VREF*（R1//R2）/（（R1//R2）+R7）;VCTRL=2.015V。
2.3.3 電池电压检测电路
在充电过程中，电池电压需要时刻检测，图6为电池电压检测电路。
考虑到电池连接时有可能的接反，或接入的电池已经坏损为0等情况，电池电压检测接入一个4.8V的基准电压，单片机采样电压值能够判断电池是否接反或电池已经坏损。单片机采样到的电压（V-BAT1）与电池电压的计算关系如以下计算公式：
V-BAT=（电池电压+4.8）/4
2.3.4 充电开关电路
当充电过程中发生充电故障、电池故障或充电结束后，需要将充电电路与电池断开，图7为充电开关电路。
充电电路与电池隔开选用双MOS管，是应为MOS管内部一般集成了续流二极管，如果只有一个MOS管，充电电路会通过续流二极管与电池连通，所以采用双MOS管反相串联以解决这个问题。为了不管电池电压多少确保MOS管导通，在导通时G端接-5V。
3 结论
本文阐述一种基于STM32和LT3796的通用充电器设计，介绍了设计原理、各组成部分的功能及电路设计，对设计中主要的电路具体设计作了详细的说明。此通用充电器的样机经过测试，能够自动识别电池种类;正常充电和快速充电功能正常;具有短路保护功能、反接保护功能、过热保护功能，各项功能均满足设计要求。本通用充电器在设计中充分考虑到性价比和小型化等，具有成本不高、外形小巧等特点。
参考文献
[1] Xin （Shin）Qi.具有双电流调节环路的LED控制器可检测故障，LED并提供100：1的模拟调光[J].中国集成电路，2014（6）：81-84.
[2] 曹凯凌，谭玉婷.基于STM32单片机的寝室扫地机器人[J].电子制作，2018，（11）3-5.
[3] 蒋志林.STM32单片机的原理及硬件电路设计探讨[J].数字技术与应用，2015（10）22.
[4] 张彦琴.锂离子电池统一充电模型研究[J].电源技术，2015（2）283-284.
[5] 张瑞松，吴仲光，金丽娟，等.镍氢电池管理系统研究[J].工业控制计算机，2013（8）123-124
关键词：通用充电器; STM32单片机;LT3796 DC/DC 控制器;充电控制
0 引言
在目前许多领域，如森林、消防、野外作业等，使用的便携式设备种类繁多，这些便携设备的能源供应是各种规格的可充电电池，比较普遍的电池有18650锂离子电池、5号镍氢电池和7号镍氢电池。设计开发一种通用充电器，能兼容三种规格电池，四个通道，能够识别电池种类，并根据不同规格的电池特性进行正常充电和快速充电;每个通道具有状态指示灯，能通过颜色变化对充电状态、充电结束状态、电池检测结果作出相应指示;每个通道输出具有短路保护、反接保护和过熱保护功能。
1 设计原理
通用充电器的设计要满足不同规格的电池其不同的充电性能。18650锂离子电池，标准的充电过程是以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.2V时，改为恒压充电，保持充电电压为4.2V，此时充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。5号镍氢电池和7号镍氢电池，标准的充电过程是以设定的电流进行恒流充电，限定的时间到或充电到后期电池电压下降到最高点以下5mV时，充电结束。
通用充电器接通电源，四个通道指示灯根据电路检测判断各通道状态并给出对应指示。
当电路识别到是18650锂离子电池时（其容量为3Ah），并且是未充满状态，控制电路对电池提供650mA标准充电电流，如果判断快充按键按下，提供1200mA快充电流;当检测到电池电压升至4.2V时，充电方式改为4.2V恒压充电，直至充电电流低于设定充电电流的1/10时，充电结束，自动断开充电回路，通道指示灯显示充满状态。
当电路识别到是5号规格镍氢电池（其容量为1.8Ah）或是7号规格镍氢电池（其容量为0.8Ah），并且是未充满状态，控制电路对电池提供400mA标准充电电流，如果判断快充按键按下，提供850mA快充电流;当电路判断相应电池的充电限制时间到或判断相应电池电压下降到最高点以下5mV时，充电结束，自动断开充电回路，通道指示灯显示充满状态。
2电路设计
2.1 通用充电器组成
通用充电器由电源适配器、直流电缆、主机组成。
考虑到通用充电器电源的来源可能是市电，也可能是交通设备等，电源适配器为AC220V转DC24V，通过直流电缆与主机连接;直流电缆接口考虑可以连接适配器，也兼容DC24V蓄电池等。通用充电器组成框图见图1。
2.2 通用充电器主机组成
通用充电器主机的电路设计需要与结构设计机密联系，其组成包括控制板、正极板、负极板、负极转接板、显示按键板、连接线束。
主控制板为通用充电器的核芯，通过正极板和负极转接板识别电池种类，控制充电方式和充电过程，检验电池的状态;通过显示按键板显示各通道电池所处状态，判断按键操作给出相应的控制。
正极板设计四个电池正极接触件，通过接插件与主控制板连接。
负极板设计四个电池负极接触件，又通过两个接触件与负极转接板连接，根据电池规格不同，负极板与负极转接板连接的位置不同。设计了四个热敏电阻检测电池温度。
负极转接板设计六个弹性接触件，按照不同电池规格分成三排，负极板连接负极转接板位置确定了电池种类。
显示按键板设计了六个三色LED，其中四个LED为四个通道状态显示，两个LED为按键状态指示;设计了两个按键，功能分别为快充按键和检测按键。
通用充电器主机组成框图见图2。
2.3 主控制板电路设计
主控制板控制中心采用STM32单片机与LT3796 DC/DC 控制器相结合作为控制核心，包括单片机电路、四路充电电路、四路充电电流调节电路、四路电池电压检测电路、四路充电开关电路、电源电路、接口电路，主控制板原理框图如图3所示。
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。增强型STM32F103系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品。内置256K的闪存;时钟频率72MHz时，最大功耗70mA，是32位市场上功耗最低的产品。芯片具备80路I/O通道，可灵活配置成16路12bit A/D采集通道，2路D/A接口等。
LT3796是一款DC/DC控制器，专为调节一个恒定电流或电压而设计。该器件从一个内部已调7.7V电源来驱动一个低端外部N沟道功率MOSFET。固定频率和电流模式架构在一个很宽的电源和输出电压范围内实现稳定的操作。其特点包括宽输入电压范围（6V至100V）、高端PMOS断接和PWM开关驱动、恒定电流和恒定电压调节、双电流检测放大器、用于电池和超级电容充电的C/10检测、短路保护、可调频率（100KHz至1MHz）等。
2.3.1 充电电路
充电电路是以LT3796为核心，配合较少的外部元件组成，充电方式采用先恒流充电后恒压充电，电路图见图4。
恒流充电时，充电电流与N1（LT3796）的9脚CTRL电压相关（CTRL电压值VCTRL见充电电流调节电路）;充电电流的计算公式如下（其中：R5=0.2Ω）。
I=（VCTRL-100mV）/（R5*4）………………0.1V<VCTRL>1V I=250mV/R5………………VCTRL>1.2V
恒压充电与N1的7脚FB1电压（VFB1）有关，当电池充电电压达到4.2V时，VFB1>1.25V，充电进入恒压（4.2V）充电，VFB1计算公式如下（其中：BAT1为电池电压）。
VFB1=BAT1*R16/（R16+R14+R15）
充电电流检测可通过采样N1的5脚电压（VISMON）计算得到，计算公司如下。
VISMON=I*R5*4
N1的15脚（FAULT）为报警输出，通过上拉电阻正常情况下输出高电平，当出现VFB1>1.3V、INTVcc欠压、V（ISP-ISN）>375mV非正常情况是，此引脚输出低电平。
2.3.2 充电电流调节电路
充电电流取决于LT3796的9脚VCTRL，VCTRL的大小由如图5电路实现调节。
VREF是LT3796的10脚一个基准电压2.015V输出，PD8和PD9连接单片机STM32F103的两个I/O，单片机根据识别的电池种类控制这两个管脚输出高电平或低电平，以控制MOS管V1和V2导通或截止，导致VCTRL的电压值的分压关系不同，得到的值便不同。VCTRL有四个值的变化，计算公式如下：
① VCTRL=VREF*R1/（R1+R7）;② VCTRL=VREF*R2/（R2+R7）;VCTRL=VREF*（R1//R2）/（（R1//R2）+R7）;VCTRL=2.015V。
2.3.3 電池电压检测电路
在充电过程中，电池电压需要时刻检测，图6为电池电压检测电路。
考虑到电池连接时有可能的接反，或接入的电池已经坏损为0等情况，电池电压检测接入一个4.8V的基准电压，单片机采样电压值能够判断电池是否接反或电池已经坏损。单片机采样到的电压（V-BAT1）与电池电压的计算关系如以下计算公式：
V-BAT=（电池电压+4.8）/4
2.3.4 充电开关电路
当充电过程中发生充电故障、电池故障或充电结束后，需要将充电电路与电池断开，图7为充电开关电路。
充电电路与电池隔开选用双MOS管，是应为MOS管内部一般集成了续流二极管，如果只有一个MOS管，充电电路会通过续流二极管与电池连通，所以采用双MOS管反相串联以解决这个问题。为了不管电池电压多少确保MOS管导通，在导通时G端接-5V。
3 结论
本文阐述一种基于STM32和LT3796的通用充电器设计，介绍了设计原理、各组成部分的功能及电路设计，对设计中主要的电路具体设计作了详细的说明。此通用充电器的样机经过测试，能够自动识别电池种类;正常充电和快速充电功能正常;具有短路保护功能、反接保护功能、过热保护功能，各项功能均满足设计要求。本通用充电器在设计中充分考虑到性价比和小型化等，具有成本不高、外形小巧等特点。
参考文献
[1] Xin （Shin）Qi.具有双电流调节环路的LED控制器可检测故障，LED并提供100：1的模拟调光[J].中国集成电路，2014（6）：81-84.
[2] 曹凯凌，谭玉婷.基于STM32单片机的寝室扫地机器人[J].电子制作，2018，（11）3-5.
[3] 蒋志林.STM32单片机的原理及硬件电路设计探讨[J].数字技术与应用，2015（10）22.
[4] 张彦琴.锂离子电池统一充电模型研究[J].电源技术，2015（2）283-284.
[5] 张瑞松，吴仲光，金丽娟，等.镍氢电池管理系统研究[J].工业控制计算机，2013（8）123-124