楊彥兵，李輝，劉曉丹

(電子科技大學，四川成都 611731)

基于單片機的雙閉環(huán)控制智能充電器研制

楊彥兵，李輝，劉曉丹

(電子科技大學，四川成都 611731)

針對當前鉛酸電池充電器大多使用單閉環(huán)模擬方式控制可靠性低、充電保護功能欠缺、充電效率低等不足，設計了一款基于單片機雙閉環(huán)控制的鉛酸蓄電池智能充電器。給出了其主電路結(jié)構和MOSFET驅(qū)動器電路，分析了其控制原理并設計了其軟件流程圖。采用單片機雙閉環(huán)控制，能夠很好地適應負載的大變化范圍；采用高性能電源芯片UC3842作為驅(qū)動器和前端控制器，實現(xiàn)了前端閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性；在傳統(tǒng)三段式充電過程基礎上新增了脈沖充電過程和相應保護功能，可以對電池進行修復，延長電池使用壽命。通過仿真分析和實驗驗證，證明了本設計的可行性和合理性。

智能充電；UC3842；單片機控制；PWM

由于鉛酸蓄電池的維護簡單安全、使用方便，廣泛作為電動自行車的動力電源；而反復地充電、放電將直接影響電池的蓄電量和壽命[1]。尤其是蓄電池充電過程對其壽命影響最大，過充電、充電不足這些又是導致充電錯誤的主要原因[2]。另一方面由于充電條件限制，充電器又需要有電池接反、充電過程中電池松動脫落等報警功能。而傳統(tǒng)的充電器往往采用全模擬電路控制，不容易或者不能實現(xiàn)上述功能[3-5]。

本文創(chuàng)新使用通用電源芯片UC3842作為MOSFET驅(qū)動器和前端電路控制器，并采用變頻PWM控制和四階段充電技術。該充電器能夠自動檢測電池接入情況，根據(jù)蓄電池狀態(tài)自動進行恒流充電-脈沖充電-恒壓充電-浮充充電四個充電階段轉(zhuǎn)換，而且能對充電器運行狀態(tài)進行監(jiān)測；如有故障發(fā)生，能及時進行保護和報警。整個充電器具有可靠性高、輸出精度高、體積小、質(zhì)量輕等特點。

1 電路拓撲結(jié)構與控制原理

1.1 主電路拓撲結(jié)構

充電器主電路采用兩級串聯(lián)AC/DC-DC/AC結(jié)構，輸入采用單向AC/DC不控整流，輸出采用單端反激式逆變電路，主電路結(jié)構示意圖如圖1所示。在此種電路結(jié)構中，交流電被整流橋D2整流后，再加上電容C2濾波后變成直流電壓。當開關管Q1導通時，變壓器存儲能量，負載電流由輸出濾波電容C1提供；開關管關斷時，變壓器將儲存的能量傳送到負載和輸出濾波電容，以補償電容單獨提供給負載電流時消耗的能量。為了改善開關狀態(tài)，防止開關器件換流開通時造成較大的尖峰電流及d/d 沖擊，應控制電流的開關工作頻率略大于負載的固有諧振頻率，使等效負載參數(shù)呈弱感性，此外還需要在變壓器原邊上加上尖峰電流吸收緩沖網(wǎng)絡。

圖1 單端反激式開關電源結(jié)構示意圖

1.2 控制策略

調(diào)頻調(diào)脈寬控制策略結(jié)合了脈沖頻率調(diào)制(PFM)和脈沖寬度調(diào)制(PWM)兩種控制策略的優(yōu)點。通過對加在Q1上驅(qū)動電平的頻率和脈寬同時調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)對輸出功率的連續(xù)調(diào)節(jié)控制。與單純的調(diào)頻PFM方式相比，它能夠在小的頻率變化范圍實現(xiàn)較大的輸出功率調(diào)節(jié)，又能夠?qū)崿F(xiàn)功率器件的軟開關功能。與單純的調(diào)脈沖(PWM)控制相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)在輕負載條件下，主電路輸出穩(wěn)定功率連續(xù)的功能。圖2顯示了在電路不同負載條件下的PWM輸出波形和調(diào)整方式的控制。

圖2 不同負載條件下Q1驅(qū)動電平的狀態(tài)

2 硬件設計

調(diào)頻調(diào)脈寬充電器主要由主電路、UC3842驅(qū)動電路、電流電壓采樣電路、保護電路、單片機控制電路及顯示報警電路組成。電路硬件框圖如圖3所示。主電路采用圖1所示的單端反激式開關電源作為電路主體結(jié)構，電流采樣通過串接采樣電阻，檢測采樣電阻兩端的電壓，而計算出其電流大小；保護電路主要包括電池接反保護電路和電池欠壓保護電路，顯示及報警電路保護蜂鳴器報警電路和LCD12864顯示電路。

圖3 調(diào)頻調(diào)脈寬充電器硬件結(jié)構框圖

2.1 UC3842驅(qū)動電路設計

UC3842芯片是一種高性能、低成本的電流控制器。通過設置其外圍電路形式和參數(shù)，即可作為一個固定頻率的控制器使用，并且芯片內(nèi)部還有一些保護電路，例如芯片電源和基準電壓兩個欠壓鎖定比較器等，芯片的驅(qū)動能力更高達±1.0 A的峰值驅(qū)動電流，當負載為1.0 nF時其上升和下降時間的典型值為50 ns。因此，UC3842可以被作為一個具有保護功能的MOSFET驅(qū)動器。UC3842驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 UC3842驅(qū)動電路圖

在圖4中，R1、R2、R3和R7組成的電路網(wǎng)絡分壓后給UC3842的2腳(電壓反饋端)形成對電源電壓的反饋，R9、R6、R8和C4組成的電流采樣網(wǎng)絡，可以控制整個系統(tǒng)的輸出電流(即輸出功率)。其控制原理為，當控制信號為高電平時，經(jīng)過電容Ct后將控制信號加到腳4，使芯片輸出端為高電平，驅(qū)動功率管導通；當控制信號為低時，關斷UC3842芯片，從而控制功率管的導通與關斷。驅(qū)動電路的控制時序圖，如圖5所示。

圖5 UC3842驅(qū)動器控制時序圖

2.2 保護電路設計

保護電路主要有電池接反保護和電池欠壓保護功能，保護電路圖如圖6所示。當在X1和X2端接入電池后，R1和R3分壓使Q1導通，從而使D1反向?qū)ǎ瓜到y(tǒng)輸出加在D1、Q1、R4和R5回路，從而使Q2導通，系統(tǒng)輸出與電池形成電流回路，充電器進入正常充電模式。當電池接反后三極管Q1不能導通，從而Q2截止，系統(tǒng)輸出保護，而由D2和光耦817組成的回路導通，光耦器輸出低電平信號，再由單片機檢測信號從而控制系統(tǒng)輸出報警信號并關閉電路前端輸出。

圖6 充電器輸出保護電路圖

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化、負載狀態(tài)檢測、PWM輸出調(diào)整等軟件部分。系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。控制器根據(jù)負載電壓和系統(tǒng)輸出電流判定電池所處的充電狀態(tài)，并調(diào)整PWM的頻率和脈寬，控制開關管的開通和關斷時間，從而控制充電電流和電壓，充電器實時顯示充電電流和電池電壓等狀態(tài)信息。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)上述理論分析和系統(tǒng)軟硬件分析，設計了UC3842驅(qū)動器Multisim仿真電路，對驅(qū)動器在不同PWM頻率和脈寬下的工作狀態(tài)進行了仿真分析。圖8(a)為輸入10 kHz占空比為20%信號時，驅(qū)動器各個點的信號波形。圖8(b)為輸入40 kHz占空比為80%信號時，驅(qū)動器各個點的信號波形。其中黃色為輸入信號，青色為UC3842驅(qū)動器4腳上的信號波形，馬鞍棕色為輸出波形。

在以上仿真分析的基礎上，設計并實現(xiàn)了輸出最高電壓59.2 V、輸出電流最大2.8 A的充電器樣機。圖9為充電器對48 V 20 Ah鉛酸蓄電池的充電波形，其中藍色線表示電池兩端電壓，紫色線表示電池充電電流。圖9中，(a)圖為充電器啟動和恒流充電時充電電壓和充電電流波形，(b)圖為脈沖充電時充電電壓和充電電流波形，(c)圖表示電池從恒流到脈沖，再到浮充的完整充電過程中的充電電壓和充電電流波形。

5 結(jié)束語

基于單片機控制的調(diào)頻調(diào)脈寬充電器具有恒流充電、脈沖充電、恒壓充電和浮充充電四個充電過程，其輸出電壓、電流穩(wěn)定，并具有電池接反報警、欠壓報警等功能。再采用UC3842前端閉環(huán)控制和單片機對輸出電壓、電壓的大閉環(huán)控制，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和輸出精度。

圖9 充電器對48 V 20 Ah鉛酸蓄電池充電波形[圖中橫坐標是采樣點數(shù)(序列從1開始)，間隔時間是1 s，與采樣時間一一對應]

[1]周志敏，周紀海，紀愛華.充電器電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]包有富，閆智剛，朱瑤琳.影響閥控鉛酸蓄電池深循環(huán)壽命的因素[J].電源技術，2001,25(4):268-270.

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[5]林成武，王鳳翔.基于UC3842芯片的驅(qū)動電路設計[J].微處理機,1999(4):8-12.

Development of microcontroller-based double closed-loop smart charger

YANG Yan-bing,LI Hui,LIU Xiao-dan

Low reliability and charging efficiency,lack of charging protection function,and some other problems of the current chargers based on single closed-loop analog control were considered.A lead-acid battery smart charger of double closed-loop digital control based on microcontroller was introduced.The main circuit and MOSFET diver were presented and analyzed,and the program flow chart was also designed.The novel frequency-varied PWM control method was adopted.The reliability of system was improved by using high-performance power chip UC3842 to be the driver and front-end controller.Pulse current charging process and protective functions were appended in the traditional three-stage charging process.Then the batteries could be maintained,and the life could be extended.The results of simulation and experimentation show that this design is feasible and reasonable.

intelligent charge;UC3842;microcomputer control;PWM

TM 912

A

1002-087 X(2014)02-0307-03

2013-06-30

楊彥兵(1987—)，男，四川省人，碩士生，主要研究方向為智能充電技術、開關電源數(shù)字控制技術。