一种基于MAX471芯片的锂电池充电电量监测电路的设计与实现 ----------------三峡电力职业学院 刘远明
摘要：本文提供了一种基于MXA471芯片的锂电池充电监测电路，通过该芯片实时检测电路对锂电池的充电电流值，配合充电管理芯片，实现了对充电电流，充电电压，充电电量，电池温度等的实时检测和显示，当电池温度、充电电压等方式异常时，电路会及时报警，避免充电事故的发生，本文对电路原理，方法，相关器件都做了详细介绍。 引言：随着便携式电器设备的普及，锂电池的使用已随处可见，从手机到平板，从各种便携式仪器仪表到学生的各种科技活动，使用的电源基本都选择了锂电池。但，使用锂电池就离不开充电器，一个好的，功能完备的充电器对正确，安全使用锂电池及其重要。在对锂电池充电时，经常因为电池或充电器的原因，充电充了很长时间，取下电池使用时，电池还是没电，或一会又没电了，有的电池，在充电过程中，电池发热甚至发生爆炸事故，因此，在充电过程中，对电池的充电情况进行实时监测，出现问题时能及时发现，确保充电过程有效，安全得进行。这里提供一种基于MAX471芯片的充电监测电路，可以较好的实现锂电池充电的安全、有效的目标。
1、MAX471芯片介绍：
1.1 MAX471芯片性能特点
MAX471 是美国Maxim 公司向市场推出的一种新型的、高精度的电流检测放大器，主要用于笔记本电脑、手机、便携式测量仪、能源管理系统等中的电流监测单元在电流测量技术中。 在电流测量中，为了减少测量电路对被测电流的影响, 通常采用在被测电路中串联一只小阻值的取样电阻进行I-V 转换, 再经过差分放大电路实现小电压放大的方法来测得电路中的电流值，测量精度要求越高, 线路就越复杂。MAX471内部有一个35mΩ的电流采样电阻, 可以测量±3A的电流。MAX471 有一个电流输出端, 只需外接一个电阻, 将电流转换成对地电压, 就可组成高精度的电流监测电路。它的工作电压和被测电路电流范围宽, 因此得到广泛的应用。
1.2 MAX471内部结构及工作原理
图1是MAX471内部结构示意图，主要包括两个运算放大器A1，A2，内部电流采样电阻RSENSE跨接在两个运算放大器的输入脚之间，当被测电流经过RS+至RS-流过采样电阻RSENSE时（实际可以是任意方向），放大器A1工作，输出电流使VT1导通，此时，忽略三极管的导通压降，A1正端的电压为：VCC –IOUTRG1。因A2此时输出低电平，VT2不导通，因而A1负端电压为：VCC -RSENSEILOAD ,根据放大器虚短，虚断的原理，两输入端电阻无限大，而电位相等，就有：IOUTRG1 = RSENSEILOAD
即IOUT/ ILOAD = RSENSE/ RG1 这里，IOUT/ ILOAD 称为电流比，其大小由芯片内部的电阻RSENSE、 RG1的大小决定的，MAX471内部的电阻已经固定，其比值为0.0005。这样，IOUT=0.0005ILOAD
如果在OUT输出端接入一个负载电阻ROUT ,就可以根据电阻上的电压，计算出被检测电流的大小来:
VOUT=IOUTROUT = 0.0005ILOAD ROUT
即 ；ILOAD = VOUT/0.0005ROUT (A)
给定一个负载电阻ROUT值，测出电压VOUT值，电流ILOAD的大小就知道了，特别，当电阻ROUT的值为2K时，电流: ILOAD=1VOUT(A )
1.3 MAX471管脚功能
图2是MAX471的管脚图，其管脚功能如下：
1， SHDN ：休眠端。接地时处于工作状态。接高电平时, 休眠状态, 耗电电流小于18μA。
2, 3 RS + ：内部取样电阻的电源端。“ +”仅表示SIGN输出端的电流方向。
4 GND ：地或电池负端。
5 SIGN ：OC 门输出端。低电平表示被测电流由RS-流向RS+。当SHDN 为高电平时, SIGN端呈高阻抗。不使用SIGN 时, 可将该端悬空。
6, 7 RS - 内部取样电阻的负载端。“ -”仅表示SIGN输出端的电流方向。
8 OUT：电流输出端, 它与经过RSENSE的电流大小成比例。该端对地接一个2k的电阻时, 其转换因子为1V/ 1A(被测电流)
2、电量监控电路总体结构
图3是电量检测电路框图，由充电电流检测电路，充电管理电路，温度检测电路，报警电路，显示电路，单片机控制电路等几部分组成。电路中，锂电池充电没有进行另外的控制设计，而是直接采用锂电池充电管理电路，使整个电路的软硬件结构都更为简洁，可靠，这里，电流检测电路串接在充电管理电路之前，实现对锂电池充电电流的实时检测，同时，充电管理器也将锂电池的当前电压送入单片机，这些数据，帮助单片机实现对锂电池充电的电量、电压监控。
2.1电压检测
电压检测是这个电路能够完成设计目标的重要基础，所用检测的电量信号都是先转换为电压量后结过变换得到，在过去的单片机电压检测电路中，需要专用的ADC芯片协助单片机
完成电压模拟量的采集和转换，结构复杂。这里，为了进一步简化电路，我们选用具有模拟量检测端口的单片机来完成电压量的采集。
2.2充电电量的检测
检测的结果以电压的形式送入单片机，由单片机转成电流量进行缓存，同时，单片机在开始充电时，打开定时器，启动计时器工作。工作时，让单片机每隔一段时间，将检测得到的电流值不断累加，这样就获得了电池充电电量上的数据。理论上来说，累加中间的间隔时间越短，电量计算的精度就越高。
电量=t1×ILOAD+ t2×ILOAD+ t3×ILOAD+… +tn×ILOAD
2.3 环境温度检测
在锂电池充电时，电池可能会发热，如果因为电池或其他问题让温度一直偏高时，会直接影响电池的使用寿命，还极易引起电池的鼓包现象，更有甚者，充电的异常还有可能引起电池的爆炸和火灾的发生，因此，充电时，对电池的温度进行检测是很有必要的。过去温度的检测常用温度敏感元件来完成，如温敏电阻，温敏二极管等，采用这些器件检测温度，需要有相应放大、调整的配合，增加了电路的复杂性，我们选用数字温度采集器件DS18B20元件进行温度测量，可以大大简化电路，并提高温度检测的精度。
2.4 报警电路
当充电电路出现异常，能够及时发现问题并报警提示，使问题能及时发现及时处理，这是本充电检测电路最大的特点所在，目前考虑主要在两个方面对电池充电进行监控：一是温度监控，当充电温度偏离正常范围时，断开充电电源并开始报警。二是当充电电压超过锂电池的上限电压时，切断电源开始报警。一般，锂电池的充电温度不能超过65度，我保险，可以把温度值控制在50度左右。充电电压的上限电压为4.20V，监控电压设置为这个值。一般情况下，因为我们采用了专用的充电管理芯片进行充电，该芯片内部有很完善的终点电压检测电路，当电池电压接近这个值时，就自动断开电源，结束充电。但，很多时候，这个电源管理芯片可能被损坏，失去管理功能，让电压一直上升，如果没有及时发现，后果是很可怕的。
2.5 数据显示
所用检测的结果，通过与单片机连接的显示屏显示出来，显示屏可采用OLED 12864屏，和液晶LCD屏相比较，OLED屏不需要背光，夜晚观看也很方便。用12864屏，可以一次把所用信息显示出来，观看很方便。
3、电路原理图
图4是根据框图设计完成的电路原理图。图中，单片机选用16脚的STC15W408单片机，这个单片机属于宽电压单片机，对电源电压适应性强，不会因为电源电压的变化而罢工。
3.1 电路硬件配置
单片机因为管脚较少，只有部分P3口和P1口，还有两个P5口，STC单片机的P1口基本都有ADC功能，可以进行最高10位精度的模拟量电压的检测。按照设计要求，需要检测电压的地方有：1.锂电池充电口，2.充电电源的电压连接端口，3.MAX471用于电流检测的OUT口,4.对于没有连接稳压IC的电路，要让单片机获得准确的电压值，还需单片机有一个脚连接一个精度较高的基准电压源，对其他检测电源进行比较矫正。这样，单片机共需要至少4
个ADC端口，STC15W408有6个这样的端口，因此没有问题。单片机的其他端口分别与OLED，温度元件DS18B20，报警电路等更需要7个脚，因此，采用16脚单片机可以满足电路安装的需要。
3.2电路其他元件选用说明
3.2.1充电管理芯片
这里选用的充电管理芯片为TP4056，这是一片完整的恒流/恒压线性充电芯片，充电电压固定为4.20V，充电电流的大小可通过外部的电阻进行设定，适合不同容量的锂电池进行充电，最大可输出1A的充电电流。图5是其引脚图，图6是其典型的充电电路连接图。
图中，LED1、LED2分别为充电状态指示灯，充电时,7脚为0电平，LED1被点亮，电充满后，7脚跳变为1，6脚变为0，LED2被点亮。电路中的RPROG是充电电流设置电阻，相关计算公式：RPROG =1200/IBAT 其中，IBAT 为设置的充电电流值。当需要中断充电时，将电路的8脚接地即可。
3.2.2 OLED的选用
这里选用的显示屏为128x64点阵的OLED屏，使用电压3.3V宽电压，在5V时也能正常使用。该屏与单片机的通讯接口为4线SPI接口，对单片机接口资源的占用极少。厂家提供的
接口资料如下：
3.3 电路工作原理
3.3.1 实现充电电量的显示
开机后，单片机的的几个电压检测口分别对电路的电压端口进行检测，检测到电流量时，启动计时器，然后，单片机每分钟为一段时间，不断对电流，锂电池端口的充电电压进行检测，将检测到的电压、电流及时间值相乘，并同上次的结果进行累加计算，直到充电管理芯片TP4056电池充电结束，关断了充电电源，这时显示的电量，就是充入锂电池的电量。
3.3.2 实现充电异常情况监测报警
充电异常的情况主要有，充电温度异常，充电电压异常等。当监测到的温度值超过设定的正常温度范围时，让单片机的P5.5口输出0电平，与之连接的三极管导通，蜂鸣器发出报警声音，同样，当监测到锂电池端口的充电电压超过4.2V时，也让P5.5脚输出0电平，蜂鸣器发出报警声，以此提醒我们及时发现问题，排除故障。还有两种情况也应该引起注意，用于充电的5V充电电源，市面上和网络上有很多都是伪劣产品，输出的充电电流很小，甚至因为接入电路后，充电电源的端电压跌落太大，低于充电器正常的工作电压，使充电器根本不能启动工作，这种情况如果不能及时发现，就会白白浪费很多时间。还有一种情况也很常见，就是锂电池使用不当或在网络上购买的锂电池，其电池内阻很大，根本无法充入电流，这种情况也应该能够及时发现，及时剔除损坏的电池，这可以通过观察显示屏显示的数据来发现。
