劉興偉, 梁佩佩, 儲珣煜, 李孟琦, 劉衛(wèi)平

(1. 大慶油田有限責(zé)任公司 質(zhì)量安全環(huán)保部， 黑龍江 大慶 163114； 吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 長春 130026)

0 引 言

電瓶車是目前人們經(jīng)常使用的代步工具, 設(shè)計出高效、 滿足不同充電電流大小的充電器對便利人們的出行有著重要的意義。市面上提供的電瓶車充電樁大多只能滿足一種特定的電流電壓需求, 并且充電樁的核心部分----開關(guān)電源無法保證一定的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率, 這會帶來充電過程不安全、 降低電池壽命等危害[1-10]。筆者設(shè)計出一種新型電瓶車充電裝置, 能檢測出電瓶車電池的容量, 從而提供特定的充電電壓電流, 使充電過程更加高效、 安全。而充電裝置的核心部分----開關(guān)電源, 保證了電池的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率都保持在較小值內(nèi)。同時, 也提供了過流保護、 短路保護、 過沖保護功能。

此外, 此電瓶車充電裝置還可以通過檢測電瓶車電池的容量和使用時長進而合理地預(yù)測電池的使用壽命, 提醒用戶適時跟換老舊的電瓶車電池。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

系統(tǒng)由主電路、 控制電路、 A/D轉(zhuǎn)換模塊、 控制器、 顯示屏和操作界面等部分組成, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 啟動保護電路

浪涌電流是由于電壓突變所引起的, 浪涌電流上升時間非常快, 持續(xù)時間非常短, 但是破壞作用非常大。為防止或減輕浪涌電流的破壞, 在開關(guān)電源中常用壓敏電阻、 共模電感等原件組成啟動保護電路, 如圖2所示。壓敏電阻和熱敏電阻組成防雷單元, 以抑制電路在啟動過程中產(chǎn)生的過壓脈沖和浪涌電流。共模電感、X電容和Y電容組成π型濾波形電路電磁干擾(EMI： Electromagnetic Interference)單元, 抑制共模干擾、 輻射和浪涌電流。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖 圖2 啟動保護電路圖 Fig.1 System design block diagram Fig.2 Start-up protection circuit diagram

1.3 主電路設(shè)計

圖3 主電路拓撲Fig.3 Main circuit topology

系統(tǒng)主電路設(shè)計中選擇升壓型功率因數(shù)校正(PFC: Power Factor Correction)電路[11-16]。其基本原理如圖3所示, 輸入Vin為經(jīng)隔離變壓器輸出的24 V正弦交流電壓信號, 經(jīng)過整流橋堆輸出頻率為100 Hz的正弦半波電壓信號, 然后對該信號進行Boost變換。脈沖寬度調(diào)制(PWM: Pulse Width Modulation)信號驅(qū)動開關(guān)管, 開關(guān)管導(dǎo)通時, 輸入電壓經(jīng)開關(guān)管給電感充電, 二極管截止, 此時輸出電容中儲存的電能供應(yīng)輸出的電壓； 開關(guān)管關(guān)斷時, 電感中儲存的能量經(jīng)過續(xù)流二極管加上電容中存儲的電能一起供應(yīng)輸出的電壓, 從而使輸出端電壓高于輸入端, 達到升壓的目的。

1.4 儲能電感的選擇

Boost電路有兩種工作模式，即電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式。電流連續(xù)模式在電路穩(wěn)定后流過電感的電流不會過零, 而電流斷續(xù)模式在電路穩(wěn)定后會出現(xiàn)電流過零的情況, 在電源功率較大開關(guān)頻率較高時, 一般采用電流連續(xù)模式, 以減小流過電感的電流峰值以及電路中器件承受的電流應(yīng)力。

考慮最惡劣工況時, 輸入電壓為Vin=20 V； 輸出電壓Vout=42 V； 輸出功率最大為Pout max=100 W； 效率取η=0.9； 根據(jù)所選控制芯片的工作方式, 開關(guān)頻率確定為65 kHz, 電流紋波系數(shù)設(shè)為r=0.36。

此條件下開關(guān)器件的占空比為0.326, 計算公式如下

(1)

其中D表示開關(guān)器件的占空比,Vout表示開關(guān)電路的輸出電壓,Vin表示開關(guān)電路的輸入電壓。

流過電感線圈的電流峰值為7.857 A, 計算公式如下

(2)

其中IL表示流過電感線圈的電流,Poutmax表示最大輸出功率,η表示開關(guān)電路的效率,Vin表示開關(guān)電路的輸入電壓。

儲能電感的電感值為50 uH, 計算公式如下

(3)

其中L表示儲能電感的電感值,Von表示開關(guān)電路輸入電壓的有效值,r表示電流紋波系數(shù),IL表示流過電感線圈的電流,f表示開關(guān)頻率。

因此, 在保證電流連續(xù)的情況下, 電感值選取為50 μH。

1.5 控制芯片的選擇

NCP1654是一個用于連續(xù)導(dǎo)電模式下的功率因數(shù)校正電路的控制器。它以固定的頻率模式控制PWM, 并依賴于瞬時線圈電流。

芯片工作在平均電流持續(xù)導(dǎo)電模式， 瞬態(tài)響應(yīng)極快， 同時啟動電流和關(guān)斷電流很低。內(nèi)部具有1.5 A推拉輸出電路門極驅(qū)動, 完全集成65/133/200 kHz振蕩器, 可選3種用于周期占空比控制的閉合回路PWM。電路的外部設(shè)計元件少, 具有輸入電流檢測, 過電流限制, 過電壓保護, 滯后的欠壓鎖定等功能, 同時具有用于平和啟動運行的軟啟動功能。芯片引腳如圖4所示。

圖4 電源芯片引腳Fig.4 Power chip pins

Pin6(Feed Back)： 該引腳接收反饋信號VFB, 這是正比的PFC電路輸出電壓。這些信息用于兩個輸出調(diào)節(jié)。具有輸出過壓保護(OVP: Over-Voltage Protection)和輸出欠壓保護(UVP: Under-Voltage Protection)功能。當(dāng)VFeedBack大于105%VRef時， 過壓保護功能被激活， 驅(qū)動輸出被禁用； 當(dāng)VFeedBack小于8%VRef時， 器件進入關(guān)斷低功耗模式。

Pin5(Vcontrol/Soft-Start)： 該引腳Vcontrol電壓直接控制輸入阻抗, 此引腳通常連接一個外部電容Control限制Vcontrol帶通低于20 Hz, 近似達到單位功率因數(shù)。該器件提供了無輸出時Vcontrol<0.7 V,Vcontrol電路接地時關(guān)閉。在芯片上電時,Vcontrol在20 mA電流源作用下逐漸增大, 當(dāng)VFB大于95%VRef時, 獲得了不斷增加的線性控制占空比作為時間的函數(shù), 因此減少了對MOSFET的電壓和電流應(yīng)力, 軟啟動功能實現(xiàn)。

Pin4(Brown Out)： Pin4檢測到的電壓信號正比于平均輸入電壓, Pin4和地之間需要連接一個接地電阻網(wǎng)絡(luò)和電容器。當(dāng)VBO<0.7 V時, 電路用教育檢測過低輸入, 關(guān)閉輸出驅(qū)動并保持在低電平狀態(tài), 直到VBO超過1.3 V(0.6 V遲滯)。

Pin3(電流檢測輸入)： 該引腳的電流源與電感電流的感應(yīng)電流ICS成正比, 具有過流保護的功能, 當(dāng)ICS>200 mA時, 過流保護被激活, 驅(qū)動輸出被禁用。

Pin2(倍增器電壓)： 此引腳提供VM為PFC占空比調(diào)制, 接輸入阻抗, RM接地, CM接地, 否則電流工作在峰值模式。

Pin1(GROUND)： 接地。

Pin8(DRIVE)： 柵極驅(qū)動電流能力(±1.5 A)。

Pin7(VCC)： 接電源-0.3, +20 V。

控制電路的核心部分是NCP1654電源芯片, 典型控制應(yīng)用電路如圖5所示。

圖5 控制電路設(shè)計Fig.5 Control circuit design

1.6 開關(guān)器件的選擇

電源最大輸出電壓為42 V, 開關(guān)管最大實際漏源電流約為8 A。實際電壓和電流有尖峰脈沖, 電壓和電流取值要留一定余量。為了減小開關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗, 必須選擇導(dǎo)通電阻較小的器件。

這里選擇IRF540N開關(guān)管, 其常溫時最大耐壓為100 V, 最大導(dǎo)通電流為23 A, 而主電路中開關(guān)管所需承受的最大電壓為42 V, 最大電流為8 A, 余量足夠； 其最大漏源極導(dǎo)通電阻RDS(ON)=77 mΩ, 損耗較小。因此, 此處選擇該開關(guān)管合適。

1.7 續(xù)流二極管的選擇

輸出續(xù)流二極管選擇C4D10120D。其反向阻斷電壓的極限值為1 200 V, 所能承受的電流極限為18 A。而在實際電路中, 其所承受的電流和電壓與開關(guān)管相同, 極端情況下, 分別為8 A和42 V。故此處選擇該器件可以滿足設(shè)計要求。

1.8 采樣電路的設(shè)計

電壓采樣借助電阻分壓, 如圖6所示, 將采樣點電壓穩(wěn)定在3.3 V內(nèi), 再通過STM32內(nèi)部的AD采樣芯片, 將采樣點處電壓值得出, 再根據(jù)電阻分壓的比例關(guān)系, 得到電壓值。

電流采樣借助差分放大電路, 如圖7所示, 在待采樣電流處串接一個采樣電阻, 將采樣電阻兩端電壓分別作為差分放大電路的兩個輸入端, 經(jīng)過差分放大電路, 將電壓差穩(wěn)定到3.3 V內(nèi)且有明顯區(qū)別, 通過STM32內(nèi)部的AD采樣得出電壓差后, 根據(jù)差分放大電路的比例關(guān)系及采樣電阻值的大小, 得到電流值。

圖6 電壓采樣原理 圖7 電流采樣原理 Fig.6 Principle of voltage sampling Fig.7 Principle of current sampling

1.9 驅(qū)動電路設(shè)計

圖8 驅(qū)動電路原理Fig.8 Driving circuit principle

為了能通過單片機的引腳輸出控制電路的通斷, 即為通過小電壓控制大電壓, 需要設(shè)計專門的驅(qū)動電路。本部分采用通過單片機信號控制三極管導(dǎo)通, 隨后在繼電器線圈側(cè)通電后, 開關(guān)側(cè)常開開關(guān)即閉合, 主電路導(dǎo)通。

結(jié)合之前部分, 在系統(tǒng)總設(shè)計時有±15 V雙電源供電, 因此采用+15 V作驅(qū)動電路電源, 選擇NXJ-3Z1-DC12 V規(guī)格的繼電器, 額定電壓為12 V直流電, 動作電壓為9.0 V直流電, 最高電壓為13.2 V, 線圈電阻為160 Ω(1±10%)。三極管則選用常用的S8050,β值在160～300, 其他參數(shù)也都滿足各項指標(biāo)要求。驅(qū)動電路如圖8所示。

繼電器的3個常開開關(guān)分別串聯(lián)到主電路的輸入、 輸出和控制電路電源供電部分, 減少在電路不工作時消耗的能量及相互干擾。為保證集電極電流不超過限制, 取Rd4=1 kΩ。

要使繼電器可以正常工作, 需滿足條件

βIb

(4)

9.0

(5)

(6)

其中β表示三極管的放大倍數(shù),Ib表示三極管的基極電流,Ic表示三極管的集電極電流。

根據(jù)計算結(jié)果, 取Rd5=330 Ω,Rd6=47 Ω。

2 軟件仿真

2.1 主電路部分

通常采用整流橋直接將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流脈動波形。若為理想空載, 當(dāng)整個電路開始穩(wěn)定工作后, 則濾波電容兩端的電壓近似為輸入交流電壓的幅值。帶負載后, 電壓會相應(yīng)降低。只有在輸入交流電壓的值大于整流橋輸出側(cè)濾波電容兩端的電壓時, 才會有電流從電網(wǎng)注入, 從而導(dǎo)致輸入電流只在輸入電壓峰值附近才有值。輸入電壓和電流的仿真波形如圖9及10所示。

圖9 校正前輸入電壓波形 圖10 校正前輸入電流波形 Fig.9 Input voltage waveform before correction Fig.10 Input current waveform before correction

2.2 主電路結(jié)合控制電路部分

控制電路的主要功能是實現(xiàn)輸入側(cè)電流電壓無相差, 且波形不產(chǎn)生畸變。因此在輸入側(cè), 對輸入電壓進行采樣, 作為電流波形跟蹤的對象, 對輸入電流進行采樣, 控制輸入電流跟蹤輸入電壓波形構(gòu)成電流控制環(huán)； 同時引入輸出側(cè)的電壓對輸入側(cè)電流的幅值進行調(diào)控, 形成電壓控制環(huán)。內(nèi)外控制環(huán)共同作用, 從而實現(xiàn)了PFC和輸出恒壓的功能。校正后的輸入電壓和輸入電流波形如圖11和圖12所示。

圖11 校正后輸入電壓波形 圖12 校正后輸入電流波形 Fig.11 Corrected input voltage waveform Fig.12 Input current waveform after correction

3 程序設(shè)計

系統(tǒng)的整體設(shè)計流程如圖13所示。系統(tǒng)的工作流程及顯示部分結(jié)合STM32芯片和觸摸顯示屏進行控制。通過STM32對使用者的信息進行采集, 從而控制主電路及控制電路部分進行工作, 對主電路輸出電壓電流進行采樣后通過顯示屏實時反饋給用戶。并設(shè)有電池壽命預(yù)估功能, 通過電池已使用時長對電池壽命進行大致估測, 用戶也可選擇是否使用該功能。

圖13 系統(tǒng)流程Fig.13 System flow

4 測試結(jié)果

測試數(shù)據(jù)顯示, 在變換器正常穩(wěn)定的工作時, 功率因數(shù)在0.8以上, 變換器效率在0.8以上。同時在正常帶載的工作條件下, 兩路輸出電壓噪聲峰峰值在1.5 V以內(nèi), 輸出電流最大2 A, 諧波因數(shù)都小于6%, 可見電流的諧波已經(jīng)大幅度減小。電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率均在8%以內(nèi), 符合設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

該設(shè)計外圍電路簡單、 成本較低， 并具有電壓保護和電流保護等功能， 安全可靠。測試可得符合設(shè)計要求。