一种以单片机为控制器的通用智能充电器设计方案
2010-12-17 17:34:52
来源：《半导体器件应用》2010年3月刊
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0 引言
随着油价的不断上涨和人们环保意识的增强，电动自行车以其价格低、绿色环保、使用安全方便等优点越来越受到消费者的喜爱。评价电动自行车质量好坏的重要参数之一是其蓄电池的使用寿命。而蓄电池的充电过程对其寿命影响最大。研究表明：过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；充电不足，则可使蓄电池内化学反应不充分，长期充电不足会导致蓄电池容量下降。由此可见，充电器性能的好坏直接影响着蓄电池的使用效果和使用寿命。目前市场上的充电器存在的主要不足，第一不是从副边绕组直接获得取样信号，因而稳压效果不理想；第二是输出电流和电压调节范围窄，因而只适用于固定负载。为此，本文介绍了一种以单片机为控制器的通用智能充电器的设计方案。该装置能根据蓄电池的充电特性或实时监测到的充电状态，来智能化地调节充电电压和充电电流，而且调节范围宽，并具有过流、过压、过温等保护功能。
1 系统结构
本智能充电器的结构如图1所示。该系统主要由电源变换电路、采样电路、微处理器，脉宽调制器、键盘、显示器和温度传感器等部分组成，是一个闭环的智能充电系统。
2 硬件电路
本智能充电器的硬件电路如图2所示。整个电路分为开关电源部分、以单片机为主的控制电路和以UC3842为核心的脉宽调制电路三部分。
2.1 开关电源设计
本设计采用电流控制型脉宽调制方式。其整个工作过程是将交流输入电压经滤波、整流后变为直流高压，再由开关管斩波、高频变压器降压后得到高频矩形电压，最后经过输出整流滤波获得所需要的直流输出电压。系统对开关电源的要求是，其交流输入电压范围为90V~270V，能同时输出+5V（作为控制部分电源）及12V~60V（主回路）的电压。输出电流为1A~3A。
2.2 单片机控制电路设计
单片机控制电路主要由单片机AT89S52、ADC(TLC0832)、多路选择开关(CD4051)、数字电位器(X9C102)、数字温度传感器DSl8820、取样电阻Rs和Rw、2×4键盘、液晶显示(CONl6)等组成。
本部分设计时应先根据蓄电池的型号参数，通过键盘设计与之对应的充电电流、充电电压以及充电时间。当电路接上蓄电池后，充电过程开始，此后由单片机通过取样电阻RM检测电池电压。若检测到蓄电池因过渡放电而使电压低于正常范围，那么，为了避免充电电流过大而造成蓄电池损坏，应先对蓄电池实行稳定的小电流充电（本设计程序中设为l/5的设定充电电流），同时，单片机开始计时，之后，单片机将不断检测电池电压和充电电流并显示在液晶屏上。随着充电的进行，电池电压不断上升，当上升到正常范围时，单片机可通过控制数字电位器来调节输出电压，从而转入大电流恒流充电（即设定电流）方式。此后，单片机一直保持不停地检测电池电压，当电压达到设定值时，单片机发出指令，以增大数字电位器的阻值，并通过脉宽调制减小输出电压，从而使充电电流减小。当充电电流减小到1/5的设定电流时，再转为涓流充电，最后在充电时间到达时关闭电源，这样就避免了因电池温升过快或严重极化而影响充电质量，提高蓄电池的使用寿命。当检测到电池电压、充电电流和温度超过设定值的1/10时（由程序设定），单片机立即输出报警信号。同时使继电器动作并切断总电源，以提高充电的安全性和可靠性。
显示器可用于显示单片机实时采样到的蓄电池电压、充电电流、已充电时间和蓄电池的温度，键盘则用于设定充电电压（充电极限电压）、恒流充电电流（极限充电电流）和充电时间。电路中的单片机可通过串口RS232和上位机相连，以用于存储数据和虚拟显示充电参数的设定。当检测到充电电流为零时，单片机转入休眠状态。而当检测到充电电流不为零时，单片机被激活。
2.3 PWM控制器设计
PWM控制器部分是以UC3842为核心。UC3842芯片内含有5.0V基准电压稳压器、高增益误差放大器和脉冲宽度比较器，它可以控制芯片内的驱动器。而驱动器则可提供25mA的输出电流，可直接驱动NOSFET调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。由于该驱动器同时具有过流、过压保护，工作电源电压为8V~40V，而启动电流小于1mA，工作温度为0℃~70℃，因而是目前较理想的新型脉宽调制器。
该PWM控制器在启动时，是由R1、Rw为UC3842提供启动电压，待其工作后，其辅助绕组3、4端的电压经D1整流、C4、C5滤波、DW1稳压后得到的16V直流电压，一路加到UC38427的7脚为其供电，另一路经R3和数字电位器X9C102分压后加到UC3842的2脚，以作为脉宽调制的输入信号。一般在这类电源的设计中，输出电压取样可与UC3842的供电电压相连。为了反映输出电压变化，本设计没有加稳压管，但这会使UC3842的工作电压不稳，输出谐波成分增多。为了克服此不足，本设计中UC3842的供电电压采用由3、4绕组端电压单独整流、滤波、稳压后，提供给UC3842芯片16V的稳定电压。充电电压的调节是将电池电压经外环电压取样电路R12、RM取样，再经多路电子开关选择、MD变换，单片机处理后，送入数字电位器，以控制数字电位器的有效电阻。从而间接控制UC3842的2脚电压，进而控制脉冲占空比，以改变充电电压。
当充电器输出电压偏高时，反馈回UC3842的2脚电压也升高（超过参考电压2.5V）之后，驱动信号的脉冲占空比减小，使输出电压下降，从而达到稳压的目的。充电电流的调节主要是先将充电电流经外环电流取样电阻Rs取样和LM358放大（可用R1调节放大倍数）、多路电子开关选择、MD变换，再送单片机处理，然后调节数字电位器的阻值。其调节过程与电压调节相似，实际上，电流调节也是通过电压调节实现的。
2.4 保护电路设计
当过流或短路时，内环取样电阻R10两端的电压升高。当3脚电压超过1V时，通过UC3842的内部调制可使其停止脉宽输出，开关管截止，输出电压和电流均为0，从而保护电源。过压时，DW1和DW2会击穿而短路，也会造成过流保护，DW2可用以保护场效应管和UC3842。而当发生欠压时，即当UC3842的7脚电压降至10V以下时，UC3842将启动欠压锁定电路而关闭开关控制器。内环的这种反馈调整是在输出电压尚未发生变化时，通过检测内环电流使脉宽提前得到调整，（前馈控制），从而加快了变换器对异常情况的动态响应速度，以便更加快速有效地起到保护作用。当然，外环电流、电压的取样(Rs、Rw)亦可通过单片机的调节作用来达到对异常情况的保护，但响应速度比内环慢(5~10)个工频周期。因此，外环取样主要是调节充电电流和充电电压，兼作二次保护，而内环取样则是主要的，它是一次的保护，这种双环保护方式会更加安全可靠。
3 软件设计
在程序的初始阶段，首先是对单片机进行初始化，即根据不同的电池设定不同的充电参数，选择不同的充电策略。其后是判断电池是否连接正确，根据电池电压值判断应该进入哪一个充电阶段（即小电流预充电，大电流恒流充电或恒压涓流充电方式）。在预充阶段，应降低充电电压，而在恒流方式时，应不断检测充电电流是否达到恒定电流（如1.8A），如果小于1.8A，则抬高电池两端的电压，使之达到1.8A，以上调节过程均可采用比例控制。在电池两端电压达到设定值后，系统再进入涓流充电模式。该充电器的程序流程如图3所示。图3中，Is为设定的充电电流（即恒流充电电流），Umin为蓄电池的放电极限电压，Umax为蓄电池的充电极限电压。
4 应用试验
本设计选用了电动自行车常用的36V/12Ah铅酸蓄电池作为测试对象，其恒压充电电压设定为43V，恒流充电电流Is为1.8A。起始时，随着充电的进行，充电电流几乎维持1.8A不变，但电池电压不断升高。当充电3小时后，电压上升减慢；当充电到4小时后，充电电压接近43V；之后，电压上升更加缓慢。而且充电下降较快。当充到43V时，充电器自动停止。从测试数据来看，该设计达到了恒流快充，恒压涓充，充满自行关断的设计要求。
5 结束语
本文设计的过度放电预充、恒流快充、恒压涓充、智能控制的充电方案，能很好地解决电动自行车用电池在充电过程中存在的过充电、充电不足和发热等问题，并能根据不同电池选择不同的充电方案，而且具有通用性。能实时检测并显示充电电流、充电电压、充电时间和蓄电池温度等参数。由于电路具有内外环控制，符合最优控制规律。最具有过流、过压和超温保护功能，同时由于UC3842采用稳压供电，因此，不但谐波污染程度低，原副边电气隔离安全可靠，同时还可根据负载情况通过单片机来进行控制，并可实现跳周期模式工作。故可提高电源的效率。
随着油价的不断上涨和人们环保意识的增强，电动自行车以其价格低、绿色环保、使用安全方便等优点越来越受到消费者的喜爱。评价电动自行车质量好坏的重要参数之一是其蓄电池的使用寿命。而蓄电池的充电过程对其寿命影响最大。研究表明：过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；充电不足，则可使蓄电池内化学反应不充分，长期充电不足会导致蓄电池容量下降。由此可见，充电器性能的好坏直接影响着蓄电池的使用效果和使用寿命。目前市场上的充电器存在的主要不足，第一不是从副边绕组直接获得取样信号，因而稳压效果不理想；第二是输出电流和电压调节范围窄，因而只适用于固定负载。为此，本文介绍了一种以单片机为控制器的通用智能充电器的设计方案。该装置能根据蓄电池的充电特性或实时监测到的充电状态，来智能化地调节充电电压和充电电流，而且调节范围宽，并具有过流、过压、过温等保护功能。
1 系统结构
本智能充电器的结构如图1所示。该系统主要由电源变换电路、采样电路、微处理器，脉宽调制器、键盘、显示器和温度传感器等部分组成，是一个闭环的智能充电系统。
2 硬件电路
本智能充电器的硬件电路如图2所示。整个电路分为开关电源部分、以单片机为主的控制电路和以UC3842为核心的脉宽调制电路三部分。
2.1 开关电源设计
本设计采用电流控制型脉宽调制方式。其整个工作过程是将交流输入电压经滤波、整流后变为直流高压，再由开关管斩波、高频变压器降压后得到高频矩形电压，最后经过输出整流滤波获得所需要的直流输出电压。系统对开关电源的要求是，其交流输入电压范围为90V~270V，能同时输出+5V（作为控制部分电源）及12V~60V（主回路）的电压。输出电流为1A~3A。
2.2 单片机控制电路设计
单片机控制电路主要由单片机AT89S52、ADC(TLC0832)、多路选择开关(CD4051)、数字电位器(X9C102)、数字温度传感器DSl8820、取样电阻Rs和Rw、2×4键盘、液晶显示(CONl6)等组成。
本部分设计时应先根据蓄电池的型号参数，通过键盘设计与之对应的充电电流、充电电压以及充电时间。当电路接上蓄电池后，充电过程开始，此后由单片机通过取样电阻RM检测电池电压。若检测到蓄电池因过渡放电而使电压低于正常范围，那么，为了避免充电电流过大而造成蓄电池损坏，应先对蓄电池实行稳定的小电流充电（本设计程序中设为l/5的设定充电电流），同时，单片机开始计时，之后，单片机将不断检测电池电压和充电电流并显示在液晶屏上。随着充电的进行，电池电压不断上升，当上升到正常范围时，单片机可通过控制数字电位器来调节输出电压，从而转入大电流恒流充电（即设定电流）方式。此后，单片机一直保持不停地检测电池电压，当电压达到设定值时，单片机发出指令，以增大数字电位器的阻值，并通过脉宽调制减小输出电压，从而使充电电流减小。当充电电流减小到1/5的设定电流时，再转为涓流充电，最后在充电时间到达时关闭电源，这样就避免了因电池温升过快或严重极化而影响充电质量，提高蓄电池的使用寿命。当检测到电池电压、充电电流和温度超过设定值的1/10时（由程序设定），单片机立即输出报警信号。同时使继电器动作并切断总电源，以提高充电的安全性和可靠性。
显示器可用于显示单片机实时采样到的蓄电池电压、充电电流、已充电时间和蓄电池的温度，键盘则用于设定充电电压（充电极限电压）、恒流充电电流（极限充电电流）和充电时间。电路中的单片机可通过串口RS232和上位机相连，以用于存储数据和虚拟显示充电参数的设定。当检测到充电电流为零时，单片机转入休眠状态。而当检测到充电电流不为零时，单片机被激活。
2.3 PWM控制器设计
PWM控制器部分是以UC3842为核心。UC3842芯片内含有5.0V基准电压稳压器、高增益误差放大器和脉冲宽度比较器，它可以控制芯片内的驱动器。而驱动器则可提供25mA的输出电流，可直接驱动NOSFET调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。由于该驱动器同时具有过流、过压保护，工作电源电压为8V~40V，而启动电流小于1mA，工作温度为0℃~70℃，因而是目前较理想的新型脉宽调制器。
该PWM控制器在启动时，是由R1、Rw为UC3842提供启动电压，待其工作后，其辅助绕组3、4端的电压经D1整流、C4、C5滤波、DW1稳压后得到的16V直流电压，一路加到UC38427的7脚为其供电，另一路经R3和数字电位器X9C102分压后加到UC3842的2脚，以作为脉宽调制的输入信号。一般在这类电源的设计中，输出电压取样可与UC3842的供电电压相连。为了反映输出电压变化，本设计没有加稳压管，但这会使UC3842的工作电压不稳，输出谐波成分增多。为了克服此不足，本设计中UC3842的供电电压采用由3、4绕组端电压单独整流、滤波、稳压后，提供给UC3842芯片16V的稳定电压。充电电压的调节是将电池电压经外环电压取样电路R12、RM取样，再经多路电子开关选择、MD变换，单片机处理后，送入数字电位器，以控制数字电位器的有效电阻。从而间接控制UC3842的2脚电压，进而控制脉冲占空比，以改变充电电压。
当充电器输出电压偏高时，反馈回UC3842的2脚电压也升高（超过参考电压2.5V）之后，驱动信号的脉冲占空比减小，使输出电压下降，从而达到稳压的目的。充电电流的调节主要是先将充电电流经外环电流取样电阻Rs取样和LM358放大（可用R1调节放大倍数）、多路电子开关选择、MD变换，再送单片机处理，然后调节数字电位器的阻值。其调节过程与电压调节相似，实际上，电流调节也是通过电压调节实现的。
2.4 保护电路设计
当过流或短路时，内环取样电阻R10两端的电压升高。当3脚电压超过1V时，通过UC3842的内部调制可使其停止脉宽输出，开关管截止，输出电压和电流均为0，从而保护电源。过压时，DW1和DW2会击穿而短路，也会造成过流保护，DW2可用以保护场效应管和UC3842。而当发生欠压时，即当UC3842的7脚电压降至10V以下时，UC3842将启动欠压锁定电路而关闭开关控制器。内环的这种反馈调整是在输出电压尚未发生变化时，通过检测内环电流使脉宽提前得到调整，（前馈控制），从而加快了变换器对异常情况的动态响应速度，以便更加快速有效地起到保护作用。当然，外环电流、电压的取样(Rs、Rw)亦可通过单片机的调节作用来达到对异常情况的保护，但响应速度比内环慢(5~10)个工频周期。因此，外环取样主要是调节充电电流和充电电压，兼作二次保护，而内环取样则是主要的，它是一次的保护，这种双环保护方式会更加安全可靠。
3 软件设计
在程序的初始阶段，首先是对单片机进行初始化，即根据不同的电池设定不同的充电参数，选择不同的充电策略。其后是判断电池是否连接正确，根据电池电压值判断应该进入哪一个充电阶段（即小电流预充电，大电流恒流充电或恒压涓流充电方式）。在预充阶段，应降低充电电压，而在恒流方式时，应不断检测充电电流是否达到恒定电流（如1.8A），如果小于1.8A，则抬高电池两端的电压，使之达到1.8A，以上调节过程均可采用比例控制。在电池两端电压达到设定值后，系统再进入涓流充电模式。该充电器的程序流程如图3所示。图3中，Is为设定的充电电流（即恒流充电电流），Umin为蓄电池的放电极限电压，Umax为蓄电池的充电极限电压。
4 应用试验
本设计选用了电动自行车常用的36V/12Ah铅酸蓄电池作为测试对象，其恒压充电电压设定为43V，恒流充电电流Is为1.8A。起始时，随着充电的进行，充电电流几乎维持1.8A不变，但电池电压不断升高。当充电3小时后，电压上升减慢；当充电到4小时后，充电电压接近43V；之后，电压上升更加缓慢。而且充电下降较快。当充到43V时，充电器自动停止。从测试数据来看，该设计达到了恒流快充，恒压涓充，充满自行关断的设计要求。
5 结束语
本文设计的过度放电预充、恒流快充、恒压涓充、智能控制的充电方案，能很好地解决电动自行车用电池在充电过程中存在的过充电、充电不足和发热等问题，并能根据不同电池选择不同的充电方案，而且具有通用性。能实时检测并显示充电电流、充电电压、充电时间和蓄电池温度等参数。由于电路具有内外环控制，符合最优控制规律。最具有过流、过压和超温保护功能，同时由于UC3842采用稳压供电，因此，不但谐波污染程度低，原副边电气隔离安全可靠，同时还可根据负载情况通过单片机来进行控制，并可实现跳周期模式工作。故可提高电源的效率。
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