LiCT1S20A锂电池充放电测试仪硬件设计

        最近几个月利用空余时间做了一款单电芯锂电池充放电测试仪，目前已完成硬件设计及测试，实现了基本的恒压恒流输出和恒流放电，由于工作繁忙且我的软件编程能力有限，暂不打算继续开发软件，所有将硬件设计开源出来供有需要的人参考，如果有兴趣可以在此基础上继续开发软件。

本项目名称是LiCT1S20A，即1串20A锂电芯测试仪，规格参数如下：

输入电压电流：12V-10A

最大充放电功率：90W

充电电压范围：0.8-4.5V，设置最小步进值：0.01V

充电电流范围：0.01A-20.00A，设置最小步进值：0.01A

功能特点：支持输入输出反接保护，高精度四线法测量电压，MOS管及电芯温度检测，2.0寸液晶显示，单编码器操作，体积小巧，超低成本（物料成本小于￥50）。

下面简单介绍一下其硬件设计原理。

LiCT1S20A由两部分组成：充放电控制板和输入显示板。充放电控制板主要包含单片机、充电电路、放电电路，输入显示板主要包含液晶屏、编码器。两块板子通过16P的牛角座连接在一起。

一.充放电控制板原理图分析

1. 输入及电源转换电路

         整机包含两路电源：VIN、+5V。VIN是输入的12V电源，主要给充电电路供电，另外由于放电电路所使用的MOS管开启电压较高，其控制MOS管的运放也需要用VIN供电。Q1是输入防反接MOS管，D1和R7组成稳压电路以防止输入电压过高导致Q1栅极损坏。+5V主要用于给单片机供电，此处使用了线性稳压器78M05，这样可以增加单片机ADC的采集精度。

2. 输入电压检测电路

         本测试仪支持四线法电压测量，电压与电流分别走不同的线路输入，这样可以避免大电流流过导线导致压降过大，从而引起过大的电压测量误差。本电路使用到了差分放大器，由于要做反接检测而运放又是单电源供电的，因此将放大器的参考电压设置未2.5V，这样输入电源正接时，输出在2.5V之上叠加正电压，实际输出大于2.5V；输入电源反接时，输出在2.5V上叠加负电压，实际输出小于2.5V；当未接输入时则实际输出2.5V，从而实现了输入反接检测。

3. 充放电开关电路

         此部分电路实现了充放电开关控制和电流检测功能，Q4/Q6并联、Q5/Q7并联，二者并联都是为了减小开通电阻，从而减小压降和发热。测试仪空闲时CHG_SW和DSG_SW都应该设置为低电平，从而防止电池的电流入测试仪。测试仪充电或放电时CHG_SW和DSG_SW都应该设置为高电平，从而减小MOS管发热。

4. 充电电路

       本充电电路使用到了基于EG1163S的同步降压方案，该方案外围电路简单，方便实现恒压恒流控制，调节输入输出电压电流范围也比较容易。这部分电路直接参考EG1163S的规格书就行，其原理不再赘述。

5. 放电电路

   放电电路本质就是一个由运放和MOS组成的闭环恒流控制电路，也是大部分直流电子负载的核心，此部分原理参考直流电子负载就行。

6. 充电恒压恒流控制环路

恒压控制环与恒流控制环通过二极管组成“或”的关系控制EG1163恒压恒流，此电路的核心在于设置环路补偿电阻电容的参数来调节环路稳定性，图中的参数仅供参考，以实际测试效果为准。

7. 电流放大电路

本电路使用了INA199这种集成的差分电流放大器，精度比分离器件搭的好很多。由于充电和放电电流的方向相反，因此同样加了一个2.5V的偏执电压来实现双向电流检测。

8. 基准源电路

本测试仪有两路基准电压：2.5V和5.0V(实际约4.8V)，2.5V为偏执电压基准，5.0V给单片机的ADC做参考基准。TL431有两种不同的引脚排列方式，在购买时注意区分。

9. PWM滤波模拟DAC电路

出于成本考虑，本设计没有使用DAC器件，而使用PWM波+两级RC滤波电路来代替DAC器件，在1Khz的PWM波条件下，输出电压纹波小于1mv。

10. 单片机MCU控制电路

单片机用于控制测试仪工作状态和液晶屏显示参数，这部分电路非常简单，只需要说明一下，R17和R18将VIN分压后与内部电压进行比较，从而实现掉电检测，用于在检测到掉电时将测试参数写入存储器，防止测试参数丢失。

二.输入显示板原理图分析

输入显示板包含液晶屏、编码器、蜂鸣器，由于液晶屏的IO和MCU的IO电平不一样，因此二者不能直连，这里将液晶屏IO上拉到3.3V，MCU端的这些IO要设置为开漏输出模式。液晶屏型号是中景园ZJY18009。

三.附录

                                                                                                                       实物图1

                                                                                                                    实物图2