7.5. Зарядное устройство на основе микроконтроллера ht46r47 фирмы Holtek Semiconductor

Во многих странах сотовые телефоны совершили целую революцию в области беспроводной связи. Предоставив пользователям простоту и легкость в эксплуатации, эта часть рынка телекоммуникаций создала совершенно новую нишу бизнеса - для каждого сотового телефона необходим аккумулятор и зарядное устройство. Кроме того, растущая популярность переносных аппаратов (КПК, МРЗ-плейеров, цифровых камер и т. д.) также потребовала увеличения выпуска аккумуляторов и зарядных устройств. В данной параграфе будут проанализированы особенности зарядки различных аккумуляторов, рассмотрена разработка зарядного устройства с быстрым зарядом (quick-charge battery сhаrger) на основе микроконтроллера [71].

Фирма Holtek Semiconductor выпускает микроконтроллер HT46R47. Этот микроконтроллер является универсальной базой для создания зарядных устройств никель-кадмиевых (Ni-Cd), никель-металлгидридных (NI-MH) и литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов, которые широко используются в сотовых телефонах, плеерах, карманных компьютерах и многих других мобильных устройствах. Здесь рассматривается структура и характеристики микроконтроллера, особенности зарядки аккумуляторов различных типов, что позволит понять основные идеи разработки зарядных устройств.

Технические характеристики микроконтроллера HT46R47

• Рабочее напряжение, В 2,2... 5,5

• Напряжение сброса, В 3±0,3

• ПЗУ программ, бит 2048x14

• ОЗУ данных, бит 64x8

• Число линий ввода-вывода 13

• Число уровней стека 6

Микроконтроллер HT46R47 собран в корпусе DIP/SOP, имеющем 18 выводов. В его состав входит четырехканальный АЦП с девятиразрядным разрешением (точность - 8 бит), восьмиразрядный таймер/счетчик событий с семиуровневой предустановкой, счетчик внешних событий совмещен с РА4, вход внешнего прерывания - с РА5, выход ШИМ-с РАО, выход PFD -с РАЗ.

Тактовая частота определяется внешней RC-цепью или кварцевым резонатором.

Хотя микроконтроллер HT46R47 был разработан с ориентацией на рынок зарядных устройств, его возможное применение гораздо шире. Например, его внутренние функции и гибкость делают этот микроконтроллер подходящим для аналого-цифрового преобразования. Высокая помехозащищенность не будет лишней в бытовых устройствах, а выход ШИМ обеспечит управление питанием.

Блок-схема и разводка выводов корпуса микроконтроллера HT46R47 приведены на рис. 245 и рис. 246.

Рис. 245

М

рис. 246

икроконтроллер HT46R47 – восьмиразрядный с RISC-архитектурой, имеет 63 команды и шестиуровневый стек. Встроенный сторожевой таймер предотвращает сбои с помощью перезапуска микроконтроллера. Узел перезапуска по низкому напряжению контролирует напряжение питания и автоматически производит рестарт, если напряжение питания падает ниже заданной величины. Внутренняя память программ объемом 2 Кб значительно расширяет возможности применения мик роконтроллера HT46R47, а дополнительное ПЗУ предназначено для хранения выбранных настроек и функций пользователя. Прерывания могут поступать с входа внешнего прерывания, внутреннего таймера и внешнего таймера/счетчика. Дополнительное прерывание может приходить с девятиразрядного АЦП.

Ввод-вывод данных в микроконтроллере HT46R47 осуществляется через 13 двунаправленных линий ввода-вывода (портов), обозначенных как РА (восемь выводов), РВ (четыре вывода), PD (один вывод). Часть этих портов являются многофункциональными - вывод РАЗ формирует выход PFD, PA4 имеет функцию внешнего счетчика событий, РА5- вывод внешнего прерывания, PD0 обеспечивает выход ШИМ. Сигналы для АЦП поступают на аналоговые входы AN0–AN3 через выводы РВО-РВЗ. Режим работы портов РАЗ и PD0 задается пользователем через меню настроек, который необходимо затем сохранить при программировании микроконтроллера. Если вывод РА4 должен быть установлен как вход таймера, его необходимо сконфигурировать как входной порт. Аналогично, если РА5 устанавливается как вход внешнего прерывания, он должен быть задан в виде входного порта. Многофункциональные выводы РВО-РВЗ/ AN0-AN3 могут использоваться как выводы входа/выхода или как аналоговые (задаются программно).

На вход восьмиразрядного таймера счетчика может поступать сигнал с вывода внешнего таймера или внутренняя опорная частота. При использовании внутренней опорной частоты из системной тактовой может быть получено восемь различных частот для подачи на вход таймера/счетчика. Делитель с максимальным коэффициентом деления 128 обеспечивает высокую гибкость. Выходная частота PFD также задается восьмиразрядным таймером/счетчиком, точнее, битом переполнения содержимого счетчика. Например, если период входного сигнала таймера/счетчика равен 1 мкс, а коэффициент деления – 6, каждые 250 отсчетов или 250 мкс на выходе таймера будет появляться сигнал переполнения, который после деления на два формирует выход PFD. Таким образом, период сигнала PFD можно рассчитать по формуле:

(256-6)х2х1 мкс = 500 мкс.

В результате сигнал PFD имеет период 500 мкс и частоту 2 кГц.

Применение такого метода позволяет формировать на выходе PFD различные частоты.

Встроенная ШИМ (PWM) функция может быть применена для оптимального управления током зарядного устройства. Типовой вариант включения микроконтроллера HT46R47 для зарядного устройства приведен на рис. 247.

Рис. 247

Вывод PD0/PWM подключается через RC-цепь к базе n-p-n транзистора VT1, который управляет p-n-р транзистором VT2, подключающим источник питания к аккумуляторной батарее через дроссель L1. Когда сигнал на выходе РWM высокий, оба транзистора открыты и через дроссель начинает течь ток. При низком уровне сигнала на выходе PWM транзисторы закрыты, ток через дроссель поддерживается через диод Шоттки VD1. Изменяя скважность сигнала PWM можно управлять запасенной дросселем энергией и, таким образом, током зарядки.

Для запуска режима ШИМ необходимо задать соответствующую опцию в настройках. Коэффициент заполнения сигнала ШИМ задается в восьмиразрядном буферном регистре. Отметим, что частота выходного сигнала ШИМ определяется системной тактовой частотой, деленной на 256. Необходимо сконфигурировать порт PD0 как выходной, что разрешает работу ШИМ выхода (уровень PD0 должен быть высоким, при низком уровне PD0 выход закрыт).

Возможности микроконтроллера значительно расширены за счет встроенного четырехканального девятиразрядного АЦП. Четыре аналоговых входа подключаются к портам ввода/вывода РВ. Тактовая частота для АЦП имеет три варианта настройки и может выбираться в зависимости от требуемой частоты преобразования. Если восьмиразрядная точность АЦП подходит для конкретного применения, преобразованная величина может непосредственно считываться из регистра чтения АЦП без каких-либо дополнительных преобразований.

При выполнении аналого-цифрового преобразования важно учитывать состояние источника питания, чтобы быть уверенным в том, что на результат преобразования не повлияют помехи. Переход в обычный режим работы может быть выполнен после завершения преобразования. Соответствующая фильтрация питания и входов АЦП может значительно снизить вероятность ошибки. Важно также, чтобы длина проводников источника питания и аналоговых входов АЦП на печатной плате была минимальна. Для снижения помех по цепям питания рекомендуется устанавливать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ между шиной питания и общим проводом.

Наилучшая точность аналого-цифрового преобразования достигается в случае, когда тактовая частота меньше 1 МГц. Чем меньше частота преобразования, тем выше точность.