设计一个能够实现以下功能的锂电池充电器

当电池电压小于4.2V时，进行恒流充电，充电电流可以调整，范围：100~500mA；
当电池电压达到4.2V时，进行恒压充电，保持在4.2V的恒压；
进入恒压充电后，当充电电流小于10mA则认为电池已经充满，点亮一个绿色的LED来充满指示。
当电池电压小于2.5V时，则认为电池已经损坏。接上充电器后，充电器首先测量电池电压，如果小于2.5V则不给予充电。

设计方案如下：

【总述】:本设计是要实现一个能够进行恒流恒压充电的4.2V锂电池充电器，首先需要将220V、50HZ的交流市电经过降压、整流、滤波、稳压为较小的直流电以供充电。然后经过LM317组成恒流源与恒压源，同时利用LM317调节端参考地的变化来进行恒流恒压转换，通过比较器比较电路结合三极管和继电器组成的开关决定是否充电。

根据题目要求，设想充电过程应如图所示，在T0-T1过程，电池电压逐渐上升，充电电流不变，到达恒压值后进入T1-T2过程，充电电压不变，电流逐渐下降至极低（涓流值）

设计思路如下：

（1）、将220V市电转换为较小的直流电：

变压器降压

全桥整流

电容滤波

（2）、恒流源电路

由LM317组成的恒流充电电路原理如下图

其中

I0=

因此只需要调节R1的值，就可以调节输出电流的大小。

（三）、恒压源电路

基本原理图：

如上图是LM317用作稳压电路的经典应用

输出电压U0是由电阻R1和R2决定的

因此在设计恒压充电时，配置好R1和R2的值就能实现需要的恒压输出。

（4）、恒流-恒压转换电路

如下图所示，当V(ref)小于2.5V时，TL431相当于开路，LM317与R5、R2形成恒流电路，既R5和R2串联部分的电压为1.25V恒定（基准电压），R1电压可以忽略，由R5和R2的设定值可以控制输出恒流100mA—500mA可调，通过改变R2的阻值即可调节电流。当V(ref)大于等于2.5V时，TL431开始导通，把LM317的参考地拉下，R1开始有电流通过并产生压降，从而通过R5和R2的电流减小，因此LM317退出恒流状态，整个电路转化为恒压电路。具体设计的过程中，用两个电阻分压得到基准电压，即当电池电压达到4.2V时，分得的基准电压为2.5V，这时，TL431导通，恒流转为恒压，实现要求。

（5）充电完成指示电路

当电池电压达到4.2V时，经过分压得到2.5V基准电压接在TL431上，使其导通，这时忽略其压降，如下图所示LED1支路有电流流过，所以下图所示的LED1实现了充电完成指示。

三、设计结果展示

总电路图

总体效果说明：

220V、50HZ的交流电经过变压器降压、整流、电容滤波后已经形成了较为“干净”的信号，流入LM317进行稳压。就本设计而言，稳压只是LM317的作用之一。
电路判断电池电压，若电池电压小于2.5V，认为电池已经损坏，则通过比较器、三极管和继电器组成的开关电路阻断充电。若电池电压大于2.5V，则开始充电。
充电开始，最初电池电压较小（小于4.2V），那么经过分压后TL431的基准电压小于2.5V，不能导通，电路为由LM317形成的恒流源电路，并且可以通过调节R2的大小调节恒流值（100mA—500mA）。随着恒流充电的进行，电池电压逐渐上升。
当电池电压上升至4.2V时，由两个电阻分压得到的TL431基准电压达到2.5V，使得其导通，电路转换为由LM317组成的恒压电路。前期通过对调试使其稳压值为4.2V即可。与此同时，由于TL431的导通，LED支路上开始有电流，使其点亮，指示电池基本充满。

（1）、降压、整流、滤波、稳压电路

这里采用常用的全桥整流、电容滤波、二极管稳压（在实际电路中用LM317实现稳压，其性能更好），最终输出较为理想的直流。

（2）、恒流源电路

电路如下图所示，输出的恒流为

要求使得电流在100mA—500mA可调，那么只需要使得R2在0—10Ω可调即可。

当R2=10Ω时，

当R2=0Ω时，

（三）、恒压源电路

我们设计的电路中，输出电压U0是由电阻R1和R7决定的：

经计算，在最终恒压阶段输出4.2V的恒压，那么若将R1确定为220Ω，则R7大约为520Ω。

（四）、实现电池电压小于2.5V时，阻断充电

最初，我们在这部分直接用了一个三极管，思路是经过比较基准电压2.5V与电池电压，从而决定三极管是否导通，最终实现当电池电压小于2.5V时断开电路，但是由于电路中恒流恒压转换的特殊性，三极管无论放到那个位置，都达不到理想的效果，最终我们选择用继电器来代替三极管的开关作用，如图所示，首先，在电路中产生一个稳定的基准电压2.5V（这里的原理图直接用VCC和电阻分压得到），然后通过比较电路将电池电压与该基准电压2.5V进行比较，如果电池电压小于2.5V，则三极管截止，继电器断开，充电电路断开，如果电池电压大于2.5V，则三极管导通，继电器闭合，充电电路导通。

（4）、恒流-恒压转换电路

如下图所示，利用R3和R4两个电阻进行分压，当电池电压达到4.2V时，R3两端电压达到2.5V，TL431导通，从下图1中可以看出，当电池电压为4.0V<4.2V时，输出仍然为100mA恒流，再如图2，一旦电池电压达到4.2V，则输出电流很快减小至10mA一下，同时，TL431导通，电路转为恒压。

图1

图2

（五）、电完成指示电路

（六）、用电容整体仿真

由于Multisim中并没有一种能够完美地仿真锂电池特性的功能，最初我用一个电阻去仿真电池，但是用电阻无法看到整个充电过程中充电电流和电压的变化，因此我用一个容量较大的电容来仿真锂电池，这样就可以通过探针和示波器观察充电过程的每个阶段电流电压的变化，下图1为利用示波器观察输出电压和输出电流的变化趋势（在输出串联一个电阻，通过示波器观察该电阻两端电压来观察输出电流的变化），如下图2，可见，当电池电压达到4.1V时，输出仍然保持100mA恒流充电，再对比图3，电压达到4.2V后，输出电流迅速减小，电量一个绿色LED，再结合图1知道，再电压达到4.2V这以后，输出端都保持着恒压输出，即进入涓流充电（恒压充电）。