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        基于專用PWM芯片的鋰電池充電電路設(shè)計(jì)

        2021-06-17 08:19:48汪俊王毅
        電子制作 2021年10期
        關(guān)鍵詞:恒流恒壓鋰電池

        汪俊,王毅

        (南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京,210031)

        0 引言

        生活中的電源產(chǎn)品總體來分包括交流和直流電源,就具體產(chǎn)品而言,產(chǎn)品種類非常繁多,常見的有開關(guān)電源適配器[1]、各種干電池、鋰電池和蓄電池等,鋰電池?zé)o疑是發(fā)展比較快速的一類,隨著鋰電池在整個(gè)電池行業(yè)份額的不斷增加,現(xiàn)在的大部分消費(fèi)類電子產(chǎn)品,家用生活產(chǎn)品大部分都是采用鋰電池作為供電電源。

        當(dāng)然隨著鋰電池應(yīng)用越來越廣泛,也帶動(dòng)了鋰電池充電行業(yè)的加速發(fā)展,市場上的鋰電池充電設(shè)備五花八門,比如有簡單的恒壓充電。但符合鋰電池充電特性的并不多,鋰電池充電時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行恒流充電,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定電壓時(shí)要轉(zhuǎn)換為恒壓充電,同時(shí)應(yīng)保證電池不可過充,達(dá)到上述條件,才可一定程度上增強(qiáng)鋰電池的使用壽命。雖然市場上有相關(guān)鋰電池充電的管理芯片,也具備恒流和恒壓充電的特點(diǎn),但電源轉(zhuǎn)化效率不高。

        利用恒流或恒壓模式對(duì)鋰電池進(jìn)行充電,鋰電池作為電源,對(duì)其進(jìn)行恒壓和恒流充電的電路裝置也是電源,對(duì)于這類電源往往是以家用工頻電源作為輸入,通過不同電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成鋰電池充電所需電壓或電流值,電路結(jié)構(gòu)可以采用線性電源,也可以采用其他方式,線性電源電路結(jié)構(gòu)簡單,市面上也有一些專門的線性電源專用芯片,很簡單即可實(shí)現(xiàn)恒壓輸出,實(shí)現(xiàn)恒壓充電,但電源部分轉(zhuǎn)化效率低,能源利用率差,開關(guān)電源相對(duì)線性電源轉(zhuǎn)化效率提高很多,有些可達(dá)到90%以上,極大的提高了能源利用率。

        1 理論分析

        電路設(shè)計(jì)的鋰電池充電電源主要針對(duì)通用3S和4S鋰電池,輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓分別是11.1 V和14.8 V。以3S鋰電池為例,標(biāo)準(zhǔn)電壓為11.1V,滿電電壓是12.6V,對(duì)其充電的方式是,首先檢測電池電壓值,如果電池電壓低于9V,首先進(jìn)行恒流預(yù)沖,電流大小通常為設(shè)定電流的十分之一,以現(xiàn)在市場上現(xiàn)在5000到6000mAH的鋰電池為例,大部分充電電流在2A左右,在預(yù)充電時(shí),應(yīng)以恒流200mA進(jìn)行充電,隨著充電的繼續(xù),電壓上升到9V以后,進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)2A電流充電,一直等到電壓上升到12.6V 后進(jìn)行恒壓充電,維持輸出電壓不變,直到輸出電流下降到200mA結(jié)束充電。

        若以4S鋰電池為例,充電過程如下:標(biāo)準(zhǔn)電壓為14.8V,滿電電壓是16.8V,充電標(biāo)準(zhǔn)電流2A。從設(shè)計(jì)要求可見,為保證3S和4S鋰電池均可正常充電,充電電路輸出功率為33.6W,考慮實(shí)際情況并保有冗余,輸出電壓最大值設(shè)置18V,輸出電流最大值為2.5A,即充電電路輸出功率設(shè)計(jì)值為45W。

        2 主要電路設(shè)計(jì)

        根據(jù)設(shè)計(jì)要求,高效率的實(shí)現(xiàn)鋰電池恒流和恒壓充電,并可進(jìn)行智能切換,同時(shí)具有過充保護(hù),充電電壓電流可調(diào)。電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

        圖1 鋰電池充電電路結(jié)構(gòu)示意圖

        本裝置由降壓電路、繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、采樣電路、控制電路和顯示電路等構(gòu)成,其中可壓控的降壓電路是其中的核心部分,降壓電路中利用脈寬調(diào)制芯片TL494[2-3]產(chǎn)生PWM控制降壓電路通過控制控制端或采樣部分電阻值均可調(diào)節(jié)輸出電壓值。恒壓充電通過給單片機(jī)給控制端一個(gè)穩(wěn)定的電壓實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定進(jìn)行恒壓充電。恒流充電需通過采樣確定電流值,然后和設(shè)置值進(jìn)行對(duì)比,通過處理器調(diào)整TL494控制端電壓值改變PWM維持恒流充電,繼電器部分可在充電完成后對(duì)電路進(jìn)行斷電,滿足過充保護(hù)。由于電池充電部分采用開關(guān)電源實(shí)現(xiàn),很大程度上提高了轉(zhuǎn)換效率。

        (1)降壓電路及參數(shù)計(jì)算

        降壓電路實(shí)現(xiàn)的功能是使220V工頻交流轉(zhuǎn)化成鋰電池充電所需直流電。該電路首先需實(shí)現(xiàn)AC-DC的轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化后的DC再進(jìn)行DC-DC[4]的轉(zhuǎn)化,最終實(shí)現(xiàn)鋰電池的充電電路輸出在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。其中AC—DC的輸入值為220V工頻交流電,輸出需根據(jù)具體電路要求計(jì)算得出。

        AC-DC的輸出即為DC-DC的輸入,由于DC-DC的輸出通過分析最大值為18V,為滿足3S鋰電池充電,最小值設(shè)計(jì)為8V,即輸出電壓在8V-18V范圍內(nèi)。DC-DC電路中核心即為TL494脈寬調(diào)制芯片,該芯片的控制信號(hào)由外部輸入,一路送往死區(qū)時(shí)間對(duì)應(yīng)的比較器,還有一路送往誤差放大器輸入端,當(dāng)死區(qū)時(shí)間控制輸入端接地時(shí),脈寬調(diào)制范圍可達(dá)到96%。

        AC-DC電路由AC-DC降壓穩(wěn)壓電源模塊成品模塊實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)220V交流轉(zhuǎn)變成24V直流,DC-DC電路部分由TL494作為核心部分,具體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

        如圖2所示,為鋰電池DC-DC充電降壓核心電路,該電路為整個(gè)充電電路的核心部分,電路采用基本BUCK電路實(shí)現(xiàn),通過PWM控制buck電路中的開關(guān)管改變脈沖寬度實(shí)現(xiàn)降壓,其中PWM由TL494脈寬調(diào)制芯片獲得,通過控制TL494的控制端,可調(diào)節(jié)輸出PWM的脈沖寬度,進(jìn)而改變輸出電壓或電流。

        電路輸入為24V直流,輸出在8V-18V之間,根據(jù)計(jì)算輸入和輸出對(duì)應(yīng)的脈寬如下:

        8V直流輸出時(shí):

        圖2 鋰電池DC—DC充電降壓核心電路

        18V直流輸出時(shí):

        設(shè)計(jì)中TL494死區(qū)輸入加電平占空比理論只能達(dá)到接近一半,設(shè)計(jì)中采用死去控制端接地,理論達(dá)到96%,滿足設(shè)計(jì)要求。

        TL494內(nèi)部有兩個(gè)誤差放大器,分別常用于電壓和電流采用,設(shè)計(jì)中采用引腳1和 2構(gòu)成的誤差放大器,輸出采樣電壓通過放大器的同相輸入端引入,通常反向輸入端和誤差放大器的輸出通過內(nèi)部5V參考電壓構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)相連接,根據(jù)實(shí)際測試發(fā)現(xiàn),若采樣電阻為R1和R2,其中R2接地,電壓采樣端在R1和R2之間,輸出電壓由下式?jīng)Q定:

        輸出電壓值有采樣電路阻值和參考電壓直接決定,最后穩(wěn)定時(shí),參考電壓和采樣值相等,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。設(shè)計(jì)中為使單片機(jī)能夠直接控制TL494,進(jìn)而控制PWM,把TL494接內(nèi)部參考電壓的端口改接數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出,最終由單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制。圖2中,反饋采樣電阻分別為4.7k和1k,其中1k可調(diào)接地,為后續(xù)微調(diào)提供便利。根據(jù)公式(3),單片機(jī)控制電壓范圍為:

        故單片機(jī)控制電壓的范圍為:1.4V≤Vcontrol≤ 3.2V,符合實(shí)際要求。

        根據(jù)TL494特性,圖2中R11和C2決定了脈沖頻率,根據(jù)計(jì)算公式及圖中參數(shù)值,其脈沖頻率為:

        在輸出為8V和18V時(shí),當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電感上的電壓分別是16V和6V,鋰電池充電初期當(dāng)電壓很小時(shí),電流為200mA恒流充電,設(shè)計(jì)電路中要求輸出紋波電流為最大20mA。根據(jù)上述數(shù)據(jù)結(jié)合占空比要求電感理論計(jì)算值分別為:

        輸出為8V時(shí):

        輸出為18V時(shí):

        為保證符合設(shè)計(jì)要求并保有冗余,電路中電感值選取2mH, 4A線徑。

        開關(guān)管選擇型號(hào)為IRF9540的功率MOS管,續(xù)流二極管采用1N5822,平均電流為3A,符合設(shè)計(jì)要求。

        (2)其他電路

        圖1 中鋰電池充電電路的結(jié)構(gòu)示意圖中,它包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電流和電壓采樣電路、按鍵控制和LED指示電路、繼電器及驅(qū)動(dòng)電路,放大及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路和顯示電路等。

        繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路采用小功率三極管作為驅(qū)動(dòng)管S9013構(gòu)成開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)5V繼電器,繼電器采用單刀雙擲的繼電器,通過處理器控制,可實(shí)現(xiàn)外部電源和降壓電路之間的連接控制,從而在電池充滿后實(shí)現(xiàn)斷電,對(duì)鋰電池實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)。

        為節(jié)約成本,設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用STC89S52實(shí)現(xiàn),內(nèi)部不含有數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊,為電流采樣放大電路,該電路由差分比例放大電路實(shí)現(xiàn),如圖3所示,電路可實(shí)現(xiàn)雙端輸入單端輸出,特別適合對(duì)本電路中采樣電阻兩端差動(dòng)電壓進(jìn)行放大。電路放大部分由OP07結(jié)合外圍電阻電路實(shí)現(xiàn),放大倍數(shù)設(shè)置為20倍,放大倍數(shù)的設(shè)置主要為保證采樣點(diǎn)壓輸出電路適合作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采集。

        圖3 電流采樣放大電路

        圖2中電流采樣電阻為0.1Ω,正常工作時(shí),電流值恒流充電電流為0.2A和2A,電阻上產(chǎn)生的壓降為0.02V和0.2V,由于電壓小,所以此處選擇低噪聲運(yùn)放OP07,輸出電壓放大20倍后變成0.4V和4V,電壓范圍在可采樣范圍內(nèi)。

        圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

        放大后的采樣電阻上的采樣電壓通過TLC1543進(jìn)行采樣,它是10位AD轉(zhuǎn)換芯片,轉(zhuǎn)換精度相對(duì)較高,其參考電壓通過基準(zhǔn)源TL431提供,如圖4所示,通過數(shù)據(jù)處理確定電路中提供給負(fù)載的電流值大小,若不滿足要求,通過單片機(jī)控制,提供數(shù)字量設(shè)置轉(zhuǎn)換芯片的輸出模擬電壓值,通過該模擬電壓控制TL494控制端,進(jìn)而改變其PWM,形成閉環(huán),進(jìn)而達(dá)到恒流的目的,實(shí)現(xiàn)電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。

        電壓采樣通過輸出分壓電路實(shí)現(xiàn),采用TLC1543實(shí)現(xiàn)。按鍵控制和LED指示電路由兩個(gè)按鍵和兩個(gè)LED構(gòu)成,通過按鍵可設(shè)置恒流充電時(shí)電流值得大小,設(shè)置了兩個(gè)按鍵,一個(gè)增加一個(gè)減小,步進(jìn)為0.1mA,LED指示燈設(shè)置了兩個(gè),一個(gè)為恒流充電指示燈一個(gè)是恒壓充電指示燈。顯示電路通過OLED實(shí)現(xiàn),主要用于顯示電流值,電壓值,以及恒流還是恒壓充電模式。

        3 測試結(jié)果

        根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求,分別對(duì)電路恒流、恒壓、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率等進(jìn)行了測試,具體測試結(jié)果如下:

        測試方法:可調(diào)電阻測試法

        表1 不同恒流測試數(shù)據(jù)表

        表1中利用大功率圓盤電位器,為保證輸出電壓在8V-18 V之間,在測試兩個(gè)不同恒流模式時(shí),采用了不同電阻值,測試結(jié)果基本符合恒流要求。

        表2 不同電阻恒流測試數(shù)據(jù)表

        表2中在設(shè)定電流2 A下,分別利用不同阻值的負(fù)載電阻進(jìn)行測試,輸出電壓能滿足8 V-18 V,通過該數(shù)據(jù)也可反應(yīng)恒壓的實(shí)現(xiàn),表2中由最后一列數(shù)據(jù)可見,輸出功率為49.5W,符合設(shè)計(jì)要求,通過后三列數(shù)據(jù)計(jì)算可見電路轉(zhuǎn)換效率為71%左右,對(duì)于該電路結(jié)構(gòu),基本實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率。

        4 結(jié)論

        電路實(shí)現(xiàn)了鋰電池充電電路的設(shè)計(jì),通過單片機(jī)作為控制核心,利用單片機(jī)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓值替代一般電路中利用TL494內(nèi)部參考電壓的方式控制TL494提供PWM波,并形成閉環(huán),通過對(duì)電路中電流和電壓的采樣實(shí)現(xiàn)電流和電壓的監(jiān)測和控制,最終實(shí)現(xiàn)了充電電路的各項(xiàng)要求和指標(biāo)。

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