如何通过利用MCU器件实现离线锂电池充电器的电路设计？

8位单片机成本低，价格廉，便于开发，其性能能满足大部分的需要，只有在航天、汽车、机器人等高技术领域，需要高速处理大量数据时，才需要选用16/32位。

以下是通过MCU实现离线锂电池充电器设计的详细方案及技术要点，分为硬件架构和软件逻辑两部分：

一、系统架构设计

1. 功率级电路

输入级
- AC/DC转换：采用反激式拓扑（低成本方案）或LLC谐振拓扑（高效率方案）
- 关键器件：高压MOSFET（如IRF840）、PWM控制器（如OB2202）、高频变压器（带安全隔离）
- 输出：12-24V DC（适配3.7V~16.8V电池组）
充电控制级
- Buck降压电路：将高压DC降至电池充电电压（使用同步降压方案如TI TPS5430）
- 电流/电压采样：
- 电流：0.01Ω高精度采样电阻 + 差分运放（如INA199）
- 电压：电阻分压网络（如100kΩ:10kΩ）+ 电压跟随器

2. MCU控制核心

型号选择：
- 经济型：STM32F030（ARM Cortex-M0，12位ADC）
- 高性能：ESP32-C3（内置WiFi，用于后期扩展）
关键外设配置：
- ADC：采集电池电压/电流（需软件过采样提升精度）
- PWM：控制Buck电路的MOSFET驱动（频率建议50-100kHz）
- GPIO：驱动状态LED、风扇控制、使能信号
- I²C/SPI：连接温度传感器（如DS18B20）及EEPROM（存储充电记录）

3. 安全保护电路

硬件看门狗：MAX6316（防止MCU死机）
独立电压比较器：LM393实现过压保护（阈值高于MCU设定值）
温度监测：NTC热敏电阻贴装于MOSFET散热片及电池接触点
电池保护：DW01+组合电路（二级硬件过充/过放保护）

二、充电算法实现

1. 多阶段充电控制

// 伪代码示例：锂电池四阶段充电
void Charging_StateMachine() {
  switch(state) {
    case PRECHARGE: // 预充阶段（电池电压<3.0V）
      set_constant_current(0.1C);  // 小电流恢复
      if(vbat > 3.0V) state = CC_CHARGE;
      break;

    case CC_CHARGE: // 恒流快充
      set_constant_current(1C);    // 如电芯2Ah则用2A电流
      if(vbat >= 4.2V) state = CV_CHARGE;  // 达到满压点

    case CV_CHARGE: // 恒压阶段
      set_constant_voltage(4.2V);
      if(ichg < 0.05C) state = TOPPING;  // 电流衰减至5%截止

    case TOPPING:   // 涓流维护
      set_pulse_charge(0.02C, 2min); // 间歇充电防过充
  }
}

2. 关键算法优化

动态电流调整：基于温度及电池内阻补偿

I_{max} = I_{rated} × \sqrt{\frac{25^\circ C}{T_{cell}}}  \quad (T>25^\circ C时降额)

ADC校准机制：
上电时短接采样端测量零点漂移，实时扣除偏移值
PWM软启动：占空比0%→75%渐变（避免MOSFET冲击电流）

三、硬件设计要点

PCB布局规范
- 功率地（PGND）与信号地（AGND）单点连接
- 采样电阻Kelvin接法（消除走线电阻影响）
- 高压区加强爬电距离（>3mm）
热管理设计
- 同步MOSFET选用LFPAK56封装（低热阻）
- 温度传感器紧贴功率器件布局
EMI抑制措施
- Buck电路输入级加π型滤波器（10μH+2×47μF）
- MOSFET驱动电阻串联磁珠（降低di/dt噪声）

四、软件安全机制

多重监控保护

// 保护触发例程
void Protection_Handler() {
 if(vbat > 4.25V || t_bat > 60°C || t_mos > 100°C) {
   PWM_Disable();  // 立即关闭输出
   Fault_LED_Blink(0x55); // 输出故障码（01010101）
 }
}