智能型鎳鎘充電器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘇釗+蔣洪+田新明

摘 要：蓄電池被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)和家用電子設(shè)備中，由于蓄電池的成本低，可以多次循環(huán)充電使用，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保的要求。市面上的鎳鎘充電器種類繁多，好的充電器可以延長(zhǎng)電池的壽命，不好的充電器在充電工程中可以使電池發(fā)熱，甚至出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，會(huì)使充電池有爆炸的危險(xiǎn)。市面上的充電多以檢測(cè)電池溫度和充電時(shí)間來(lái)確定電池是否充滿。而現(xiàn)在研究的充電器除了以上檢測(cè)功能以外，通過(guò)加入了電池的負(fù)壓檢測(cè)，來(lái)檢測(cè)電池是否已經(jīng)充滿。充電器可以充6～15節(jié)電池，充電器通過(guò)MCU檢測(cè)電池狀態(tài)來(lái)控制外部硬件，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：負(fù)壓檢測(cè) 閉環(huán)控制 溫度 時(shí)間

中圖分類號(hào)：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（b）-0055-03

1 智能型鎳鎘充電器的原理框圖

1.1 充電器

一般都是由電源部分、恒流電路、控制部分以及電池狀態(tài)檢測(cè)電路組成。電源部分，一般是通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)電源把市電轉(zhuǎn)換成要充電的電壓，開(kāi)關(guān)電源的好處就是轉(zhuǎn)換效率高，電能利用率高（見(jiàn)圖1）。

恒流電路是通過(guò)檢測(cè)充電的電流來(lái)控制充電的電壓。電池狀態(tài)檢測(cè)是通過(guò)外部電路檢測(cè)當(dāng)前電池電壓、溫度等參數(shù)。控制電路是一般都是由MCU來(lái)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)和指示信號(hào)。

1.2 設(shè)計(jì)思路

通過(guò)原理框圖結(jié)合一些成熟的電路原理圖，經(jīng)過(guò)分析自己可以設(shè)計(jì)出充電器的硬件原理圖來(lái)。

2 智能型鎳鎘充電器的硬件原理

2.1 交流-直流整流電路

市電經(jīng)過(guò)電路后接兩個(gè)電阻給電容XC1放電使用，防止在充電器拔出后人體碰觸插頭被電麻，電感LF1是對(duì)電源的電流起到一個(gè)濾波的作用，使得電流平穩(wěn)。4個(gè)二極管是對(duì)電壓進(jìn)行橋式整流轉(zhuǎn)換成一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓供電源的高壓一次側(cè)使用。

2.2 高壓一次側(cè)的主回路和震蕩電路。

脈動(dòng)的直流電壓，電壓經(jīng)過(guò)二極管D10和電阻R15，R17到震蕩芯片OB2263，給震蕩芯片一個(gè)剛上電的電壓，讓芯片產(chǎn)生震蕩電壓給場(chǎng)效應(yīng)管Q2工作，即導(dǎo)通和關(guān)斷。芯片產(chǎn)生的震蕩頻率為：

Fosc=6500/RI（Kohm）（kHz）

當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通后，電壓經(jīng)過(guò)高頻磁芯T1A的高壓側(cè)，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管，還有下面4個(gè)并聯(lián)的0.5ohm電阻形成回路，產(chǎn)生電流。回路電流經(jīng)過(guò)高頻磁芯，T1A的高壓側(cè)，會(huì)在二次側(cè)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)的電流。

經(jīng)過(guò)4個(gè)并聯(lián)的電阻后，會(huì)在電阻上面產(chǎn)生一個(gè)電壓，反饋到芯片OB2263中芯片會(huì)根據(jù)這個(gè)電壓來(lái)調(diào)節(jié)輸出頻率。在上電后，OB2263的產(chǎn)生震蕩足以在T1B高頻磁芯的二次側(cè)，電壓經(jīng)過(guò)D9，R14來(lái)給OB2263提供電源。

2.3 恒流轉(zhuǎn)換電路

這是一個(gè)充電電路，高壓一次側(cè)經(jīng)過(guò)高頻磁芯T1A產(chǎn)生變化的電流，在二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對(duì)電阻R10，R11起到保護(hù)的作用，在沒(méi)有外部回路的時(shí)候，即沒(méi)有接上電池的時(shí)候，或者開(kāi)關(guān)管AO3401關(guān)斷的時(shí)候，會(huì)經(jīng)過(guò)電阻形成電流回路。開(kāi)關(guān)管經(jīng)過(guò)控制電路核心芯片MCU控制。Vo_bat端口的電壓，反饋到MCU的ADC上。D7，R9和控制電路的電源接到一起，起到輔助供電的作用。R13作為一個(gè)采樣電阻，其作用是可以采樣流過(guò)電池中的電流，在電阻上形成一個(gè)電壓，這個(gè)電壓和控制電路的比較器的固定電壓比較，產(chǎn)生電平信號(hào)對(duì)芯片OB2263的FB信號(hào)進(jìn)行控制，來(lái)控制一次側(cè)的開(kāi)關(guān)頻率，從而起動(dòng)對(duì)電流的控制作用。在電阻R13上的電壓可以表示為：

Vs=In×0.1（V）

2.4 控制電路以及其供電電路

高壓側(cè)的開(kāi)關(guān)管在一次側(cè)產(chǎn)生一個(gè)變化的電流，高頻磁芯T1C二次側(cè)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，經(jīng)過(guò)回路會(huì)有一個(gè)感應(yīng)電壓。穩(wěn)壓電路TL431，經(jīng)過(guò)反向電壓形成電壓，讓三極管MPS222A打開(kāi)，經(jīng)過(guò)濾波電容C6，形成一個(gè)穩(wěn)定的電壓M_VDD，供控制芯片供電。

電池狀態(tài)檢測(cè)電路，M_VDD經(jīng)過(guò)R39到端口NTC，這是一個(gè)溫度開(kāi)關(guān)，用來(lái)檢測(cè)電池的溫度，當(dāng)電池溫度過(guò)高的時(shí)候，溫度開(kāi)關(guān)會(huì)斷開(kāi)，否則溫度開(kāi)關(guān)會(huì)閉合。還有一個(gè)電阻分壓電路R35，R33，用來(lái)測(cè)量電池當(dāng)前的電壓，以檢測(cè)電池的負(fù)壓。

分得的電壓為：

V=Vo_bat×1.5/（33+1.5）（V）

CTR端口是有MCU的P1.4端口控制，當(dāng)P1.4端口為高電平時(shí)候，三極管Q3導(dǎo)通，則恒流電路的AO3401開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，對(duì)電池充電，反之，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電池不充電。

充電指示電路LED端口，接一個(gè)雙向的LED燈，用來(lái)支持是否在充電狀態(tài)，充電狀態(tài)指示燈會(huì)亮紅等，其他狀態(tài)會(huì)亮綠燈。

MCU的特點(diǎn)就是內(nèi)部有一個(gè)比較器，對(duì)整個(gè)充電電路起到關(guān)鍵的作用，也節(jié)省了一個(gè)比較器的成本。P5.5為比較器的正端，接上了一個(gè)固定的電壓：

V+=M_VDD×10/（33+10）（V）

負(fù)端接上一個(gè)采樣電壓，即恒流電路中采樣電阻上的電壓（V-）。P1.2為比較器的輸出端。當(dāng)V+>V-的時(shí)候P1.2輸出高電平，當(dāng)V+

3 控制電路的軟件系統(tǒng)

3.1 軟件系統(tǒng)流程

在MCU上電或者復(fù)位之后，MCU必須起動(dòng)比較器，比較器是整個(gè)硬件電路的關(guān)鍵，要起到恒流的作用必須要開(kāi)啟比較器。還有一系列的系統(tǒng)初始化MCU的IO口的配置，在一系列的初始化以后，進(jìn)入到充電系統(tǒng)循環(huán)。（見(jiàn)圖3）

3.2 充電結(jié)束的條件

由圖3可以看出來(lái)，充電結(jié)束有3個(gè)條件，只要滿足其中的一個(gè)條件，充電過(guò)程就會(huì)結(jié)束。充電結(jié)束只要達(dá)到充電結(jié)束的條件，需要立即停止充電，這個(gè)時(shí)候，需要檢測(cè)的就是電池是否拔出，如果電池沒(méi)有拔出，不允許重新循環(huán)充電，這樣會(huì)損傷電池。檢測(cè)電池是否拔出，可以檢測(cè)外部的電壓，通過(guò)ADC采樣電池電壓，如果電池還在測(cè)存在電壓，如果電池不存在，則電池電壓很小。

參考文獻(xiàn)

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