通用型蓄电池充电电源硬件设计.doc

本科毕业设计（论文）题目： 通用型蓄电池充电电源硬件设计硬件设计院（系） 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012年 6月通用型蓄电池充电电源硬件设计摘要本课题为了解决24v、36v、48v的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池的充电快速、可靠性，设计了一种基于pwm的通用智能充电器。它以at89s51为核心，介绍了智能充电器的工作原理、硬件体系结构设计、讨论硬件部分的组成、以及它是如何实现对电池数据的采集和两种充电模式的实现。由于采用了高分辨率的a/d转换电路，保证了充电器在浮充控制阶段有很高的精度。对于蓄电池的快速充电和延长其寿命有很大意义。关键词：单片机 ；pwm；智能充电器；浮充电压the design of an electric charge power supple of flybackpopular type-hardwareabstractin order to make the charged and the security of the lead-acid battery and the nickel cadmium battery with the 24 v,36 v,48 v better ,this task designed a kind of charger in general use intelligence according to pwm .it takes at89s51 as the core. this also realizes the accurate control with sharing the empty ratio by pwm in the aspects of the hardware . as adopting the a/d conversion electric circuit of the high resolution, this guarantees the very high accuracy of the charger at the float charging stage. it has the great signification for the fast charging of the storage battery and prolonging its life.in the whole design process of system,this task mainly adopt the mold method , the design of each mold piece all adopts the method of the contrast comparison, making the whole system have the useful meaning.keyword: single chip microcomputer； pwm；intelligence；float charging1 绪论1.1蓄电池及其充电技术的发展与意义1.1.1 当前电池特性a. 铅酸电池 （1）发展概况 铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善以其成本低、电压高、原材料丰富、制造工艺简单在二次电池获得了最广泛的应用。而自70年代末始，vrla(阀控式免维护铅酸蓄电池)电池在许多工业发达国家发展迅速。如日本1980年生产的小型vrla电池为1800万只，而到1990年已达1.1亿只，年平均增长率达43%。90年代后，摩托车蓄电池已转向vrla，而大型的固定用vrla也很快发展起来。1985年起，我国也拥有了一批工厂进行小批量vrla电池的生产，而如今生产vrla的工厂已不下200家，据估算，我国年需固定型蓄电池约35-40万kvah，今已全部换成vrla，其型号则从1ah到3000ah都齐备。vrla具有较高的安全性和密封性，由于其正常运行时不存在对电解液的检测，以及调酸加水等传统的定期维护步骤，因而也被人们称为免维护蓄电池。其独特的气体再化合系统，能将产生的气体再化合成水；在蓄电池大充电、大放电而其内部的气压上升到超越正常水平时，安全阀会释放过量的气体后然后自动重新密封，在电池使用过程中不会产生气涨现象；安全阀和专用过滤器可防止蓄电池爆炸，确保正常使用时安全可靠。vrla寿命较长，一般正常运行具有10年以上的浮充使用寿命。（2）vrla的特性 充电电压的范围 过充电开始的时间与充电的速率有关，当充电率大于c5时，电池容量恢复到额定容量的80以前，即开始发生过充电反应；浮充使用时电压一般控制在2.150.1v/单格，循环使用时电压一般控制在2.350.1v/单格，若说明书有要求时应按说明书操作。实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差5时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半，采用适当的浮充电压，密封铅酸蓄电池的寿命可达10年以上。充电电流 vrla的充电电流不大于0.01c安培时，伴随充电过程产生的气体可以100%再化合成水；当充电电流恒定在0.1c安培时，气体再化合效率仅约为35%，在蓄电池内部产生气体的速率大于气体再化合成水的速率。当电池电压上升到过充电压时，继续大电流过充将有导致电池失水。环境温度 一般不超过30度为宜。温度变化较大时应加强对电压的调节。铅酸电池的电压具有负温度系数，其单格值为3。在环境温度为时工作很理想的普通（无温度补偿）充电器，当环境温度降到时，电池就不能充足电，当环境温度上升到时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。 铅酸电池的电压具有负温度系数，其单格值为3。在环境温度为25时工作很理想的普通（无温度补偿）充电器，当环境温度降到0时，电池就不能充足电，当环境温度上升到50时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。一般不超过30度为宜。温度变化较大时应加强对电压的调节。对于不同厂家的产品不可混用 同一厂家的产品新旧不可混用。b. 镍镉镍氢电池 （1） 发展概况 密封镍镉电池效率高、循环寿命长、能量密度大、体积小、重量轻、结构紧凑，并且不需要维护，因此在工业和消费产品中得到了广泛应用。随着技术的发展，人们对电源的要求越来越高。70年代中期，研制成功了功率大、重量轻、寿命长、成本低的镍氢电池，并且于1978年成功地将这种电池应用在导航卫星上，镍氢电池与同体积镍镉电池相比，容量可提高一倍，而且没有重金属镉带来的污染问题。它的工作电压与镍镉电池完全相同，工作寿命也大体相当，但它具有良好的过充电和过放电性能。近年来，镍氢电池受到世界各国的重视，各种新技术层出不穷。镍氢电池刚问世时，要使用高压容器储存氢气，后来人们采用金属氢化物来储存氢气，从而制成了低压甚至常压镍氢电池。1992年，日本三洋公司每月可生产200万只镍氢电池。目前国内已有20多个单位研制生产镍氢电池，国产镍氢电池的综合性能已经达到国际先进水平。（2） 电池特性 镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应。 电池全部放完电后，极板上的结晶体很小。电池部分放电后，氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍，剩余的氢氧化亚镍将结合在一起，形成较大的结晶体。结晶体变大是镍镉电池产生记忆效应的主要原因。镍氢电池和同体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且无记忆效应。镍氢电池正极的活性物质为niooh（放电时）和ni(oh)2(充电时)，负极板的活性物质为h2（放电时）和h2o（充电时），电解液采用30%的氢氧化钾溶液。1.1.2 当前电池充电技术 电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一是使用小电流充电，补充电池因自放电而损失的能量，以维持电池的额定容量。解决这两个问题的方法就是初期用大电流恒流充电以满足充电的快速性；在充电末期以小且精确的电流进行浮充以满足充电的可靠性。a. 酸蓄电池的充电技术 为了保证充电的快速性和可靠性，将充电过程分为三个阶段：a.大电流流阶段；b.限流恒压阶段；c.精确小电流浮充阶段。（1） 大电流恒流阶段 以0.1c至0.2c的充电率为佳，在此阶段可以迅速的将电池损失的电量补充，此时，电池内部气体产生的速率大于再化合成水的速率，但此阶段一般仅有数小时，不至于使电池内部气体压力累积到排放的压力值，所以在充电实际操作过程中，在限流充电阶段蓄电池电压已经达到该转入恒压充电电压值时应及时转入恒压充电方式。如果再继续长时间对蓄电池限流充电，蓄电池电压升高将对电池造成损害，而缩短其寿命，同时内部压力越来越大，安全阀会排放气体使水分丧失，情况严重将导致蓄电池报废。（2） 限流恒压充电 在恒压期间若电流3小时保持一定的数值范围不变则转入浮充阶段（3） 小电流浮充阶段 此时的充电电流用以补充电池因自放电而损失的电量。蓄电池的浮充电有严格的要求，正确选取充电电流，电压，时间以及环境校正浮充电压等对延长电池的使用寿命确保满容量有极大的影响，可以说充电器的性能对蓄电池的使用寿命有直接的影响。浮充电运行时充电方式采用的是恒压方式，浮充电电压必须严格按照厂家对蓄电池的要求保持一个恒定的值，在该电压下充入的电量应足以补偿蓄电池由于资方点而瞬时的电量，使蓄电池长期处于充足电的状态，同时该电压的选择应使蓄电池长期处于过充点而造成的损坏擦到最低的程度。浮充电压不能过高，以免因严重的过充电而缩短电池寿命。因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。（4） 温度对浮冲电压的影响 整组蓄电池浮充电压u=u+u式中整组蓄电池的单体电池数目；u常温下（2025）的单体蓄电池浮充电压，不同厂家给出的值不同，一般为2.23v2.27v；u温度校正系数，一般为-3mv/（只），即温度升高1应降低3mv，降低1应增加3mv。 b. 镍氢/镍镉电池的充电技术 （1） 四阶段的充电方式 即分为预充电、快速充电、补足充电、涓流充电四个阶段。 对长期不用的或新电池充电时，一开始就采用快速充电，会影响电池的寿命。因此，这种电池应先用小电流充电，使其满足一定的充电条件，这个阶段称为预充电。快速充电就是用大电流充电，迅速恢复电池电能。快速充电速率一般在1c以上，快速充时间由电池容量和充电速率决定。 为了避免过充电，一些充电器采用小电流恒压充电。镍镉电池正常充电时，可以接受c/10或更低的充电速率，这样充电时间要10h以上。采用小电流充电，电池内不会产生过多的气体，电池温度也不会过高。只要电池接到充电器上，低速率恒流充电器就能对电池提供很小的涓流充电电流。电池采用小电流充电时，电池内产生的热量可以自然散去。 浮充充电器的主要问题是充电速度太慢，例如，容量为1ah的电池，采用c/10充电速率时，充电时间要10h以上。此外，电池采用低充电速率反复充电时，还会产生枝晶。大部分涓流充电器中，都没有任何电压或温度反馈控制，因而不能保证电池充足电后，立即关断充电器。 采用某些快速充电止法时，快速充电终止后，电池并未充足电。为了保证充入100%的电量，还应加入补足充电过程。补足充电速率一般不超过0.3c。在补足充电过程中，温度会继续上升，当温度超过规定的极限时，充电器转入浮充充电状态。最高电压（vmax） 从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。电压负增量（v） 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池已充足电。（2） 脉冲充电方式 镍氢/镍镉电池还有一种充电方式脉冲充电则是首先用脉冲电流对电池充电。然后让电池放电，如此循环。电池脉冲的幅值很大、宽度很窄。通常放电脉冲的幅值为充电脉冲的3倍左右。虽然放电脉冲的幅值与电池容量有关，但是，与充电电流幅值的比值保持不变。 充电过程中，镍镉电池中的氢氧化镍还原为氢氧化亚镍，氢氧化镉还原为镉。在这个过程中产生的气泡，聚集在极板两边，这样就会减小极板的有效面积，使极板的内阻增大。由于极板的有效面积变小，充入全部电量所需的时间增加。 加入放电脉冲后，气泡离开极板并与负极板上的氧复合。这个去极化过程减小了电池的内部压力、温度和内阻。同时，充入电池的大部分电荷都转换为化学能，而不会转变为气体和热量。 充放电脉冲宽度的选择应能保证极板恢复原来的晶体结构，从而消除记忆效应。采用放电去极化措施后，可以提高充电效率并且允许大电流快速充电。存放时，镍镉电池的电量将按c/30到c/50的放电速率减小，为了补偿电池因自放电而损失的电量，补足充电结束后，充电器应自动转入浮充电过程。浮充充电也称为维护充电。根据电池的自放电特性，浮充充电速率一般都很低。只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，在维护充电状态下，充电器将以某一充电速率给电池补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。1.2 课题背景本课题针对蓄电池的快速充电、可靠充电技术进行开发。对于蓄电池的快速充电电和延长其寿命有很大意义。1.2.1 蓄电池对充电器的要求 基于免维护铅酸蓄电池浮充运行时的温度补偿要求和补充容量充电特性的要求，充电器应具备以下功能：a 浮充电运行时的电压稳定度必须小于0.5%；b 可根据蓄电池按放的环境温度读浮充电压进行调整，建议采用双测点温度取样，以确保温度取样的正确性；c 具有蓄电池容量监测功能。基本方法是采用蓄电池放电电流对时间的积分运算，累计所放出的安时数。在放电结束后即自动将充电器运行在充电状态，充入与放出同样的安时数；d 具有自动限流恒压充电方式，即在转入充电方式时，自动将电流稳定在 厂家要求而设的电流值下充电，在电池电压上升到电压定值时自动转入恒压充电方式，并监测充电电流，在充电电流已维持3h不再变化后，充电器自动转入浮充点方式运行。1.2.2 目前充电器的不足 显然，对充电装置的功能要求并不仅限于上述几点，如充电器装置的自身运行工况的监测与报警，多个充电器备用方式的自动切换等要求是对各种类型蓄电池用充电器均必须具备的功能。要达到上述要求的bd点必须采用带微处理器的智能型充电装置，而普通采用模拟电子线路的调节控制器显然难以实现这些功能。也就是说免维护蓄电池是在牺牲其使用寿命或容量不足的状态下运行。现在国内所生产的，即使是智能型的充电装置，通常也只是满足上述的3,4项的功能要求。高频开关电源具有普通桥控型充电装置所不具备的优点，如具有先进的功率因数校正网络，功率因数达0.99；具有极高的稳定度，在0-100%负载内稳定度不大于0.5%；具有极低的纹波电压，仅有几毫伏；具有温度补偿功能，可根据蓄电池所处环境温度进行补偿；故采用高频开关电源作为充电装置可以更好的适应免维护电池的充电特性。2 通用型蓄电池充电电源硬件设计2.1 本次设计的主要任务和要求制作一个通用型蓄电池充电电源，其要求为：ac输入电压：220v10%， 电源频率：4763hz输出电压：24v、36、48v 充电对象：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池电压显示、电量充满提示、电池损坏提示 短路、过充、过流保护2.2 设计方案论证与可行性分析2.2.1 硬件框图设计基于本任务中对多种电池类型的通用性以及多种电池规格的自适应性要求，可采取如下框图所示的“键盘输入ad采集单片机处理开关电源输出”的闭环控制模型。图 2.1 闭环控制框图2.2.2 方案论证a控制对象分析： 根据如前所述的蓄电池的快速充电要求：对铅酸电池，在到达过充电压前快速充电阶段充电速率可采用0.2c恒流；对镍镉镍氢电池，快速充电前应有可能需要涓流预充电；基于以上两点可知需要对蓄电池进行电流采集，并控制电流。根据蓄电池极化效应发生时的过充电反应：如前述可知对铅酸电池，过充反应开始时应自动将充电方式转换为恒压限流阶段，以避免过度极化效应所带来的电池失水损害；基于以上两点，可知需要对蓄电池进行电压采集。根据已充满电后的电池的自放电损失：如前述可知对铅酸电池，浮充电压须严格遵守2.23-2.27v/格的标准，同时需要以温度每升高一度单体浮充电压降低3mv以避免由此所带来的对电池寿命严重影响。故前述的电压采集需要一个较高的精度的分辨率，此外，还需拥有温度采集单元。b. a/d采集分析 根据前面所述的蓄电池的充电精度要求：对于铅酸电池要求浮充时电压精度必须小于0.5%，所以通过计算可以得出至少需要8位的a/d。多种的采集量：由前述的控制对象分析可得，a/d器件至少需要2路通道，以分别采样电压、温度与电流。c.开关电源： 基于浮充电压所要求的小于0.5%的高精度，故拟采用开关电源来作为充电主电路。考虑到本设计任务中较多的充电方式的灵活配置，故对开关元件的占空比控制也应以单片机直接控制为佳。2.3 硬件电路设计为了便于将上述分析的硬件实现，在设计过程中分为众多的模块，分别加以设计，并注意强弱电的相互隔离，以及各高频部分之间的相互屏蔽。图2.2 系统框图整流滤波模块：该模块是将市电的220v经过整流后转化为直流310v，经滤波隔离降压单元。变换器模块：该模块是由高频变压器构成，其中副边抽头绕组提供两种匝比，分别输出直流60v的共主充电器电路和直流12v和5v的电源供电模块使用。dc-dc变换器模块：该模块是将直流60v的电压转换转换为电池充电所需的电压，并通过功率开关管以及驱动电路，续流二极管，电感，电容的组合来达到充电控制的目的。采样模块1：该模块负责电压，电流的采集送入到ad转换单元。采样模块2：温度的采集用18b20直接采集输入cpu。ad转换模块：该模块的作用是将模拟信号转化为数字信号送入到cpu控制单元。键盘模块：该模块为4键盘的键值管理，其键盘包括种类和规格的轮换键、数值的增键、数值的剪键、确认键。lcd显示模块：用于显示电池的类型，电池的规格，充电程度，温度。pwm控制模块：该模块负责dc-dc电路的占空比调节，可以利用软件先将占空比分为若干档，再根据采样信号的分析决定占空比档位的选定。2.3.1 整流滤波电路设计设计中选用单向桥式整流滤波电路。整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路的需要。因此，一般在整流后，还要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。2.3 整流滤波原理图a. 原理介绍当市电经过熔断器f1经过emi滤波，再经过过电压抑制电路得到u2。u2处于正半轴并且数值大于电容两端的电压uc时，二极管d1,d3导通，电流一路流经负载电阻rl,另一路对电容c充电。因为在理想情况下变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压uc与u2相同。当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载rl放电，其电压uc也开始下降，趋势与u2基本相同。但是由于电容按指数规律放电，所以当u2下降到一定得数值后，uc的下降速度小于u2的下降速度，使uc大于u2从而导致d1,d3反相偏置而截止。此后电容c继续通过rl放电，uc按指数规律缓慢下降。 当u2得副半周幅值变化恰好大于uc时，d2,d4因加正向电压变为导通状态，u2再次对c充电，uc上升到u2得峰值后开始下降；下降到一定数值时d2,d4变为截止，c对rl放电，uc按指数规律下降；放电到一定得数值时d1,d3导通，重复上述过程。b. 滤波电容的选取考虑到电网电压的波动范围，电容的耐压值应大于=342vc的取值范围满足rlc=（35）t/2的条件。 欧电容的容量为 c. 脉动系数s：脉动系数为 d. 整流二极管的选取当加入滤波电容后，只有当电容充电时，二极管才导通，因此每只二极管的导通角都小于，而且rlc值越大，滤波效果越好，导通角越小。一般选用较大容量的整流二极管，通常选取其最大整流平均电流if大于负载电流的23倍。考虑到电网电压的波动范围为，在选择二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电流if和最高反相工作电压urm分别为 所以选用in5409型二极管。2.3.2变换器的设计在变换器的选择中，选用反激式变换器，反激式变换器的电感具有存储电磁能量和提供电网隔离。在开关导通的瞬间，输入电压us加在变压器t1的初级，同名端相对于异名端为负，次级二极管d反相偏置截止。初级电流线性上升，变压器作为电感运行。 在开关q1关断时，变压器所有线圈感应电势为正，次级二极管d正向导通，磁芯磁通作为变压器运行。图 2.4 反激变换原理图设计如下条件的变压器：反激变换器的工作频率为20khz ，输入电压310vdc，输出电压10v、36v、48v，直流电流为4a。a. 计算原边绕阻流过的峰值电流ip：每一工作周期能量乘上工作频率f为输出的功率po po= （2.1）设为不连续工作模式，在ton时间内的电流为0至ip,则 vs=lp （2.2）因为 t=dmaxts （2.3）所以 vs=lp （2.4）设计中取iave=ip,化简得 ip=3.44ab. 求原边绕阻的电感值 设计中取的dmax=0.45，由式（2.4）得 lp=vsdmaxts/ip=2.05mhc. 选择磁芯尺寸 计算磁芯面积ap。ap为aw（磁芯窗口面积）和ae（磁芯有效截面积）的乘积。如果原边绕阻的线径为dw，带绕阻的磁芯所占的ap值表示为app，可以按照下式进行计算 app = （2.5）式中，表明工作的磁感应强度变化值取饱和值bs的一半。例如tdk e-e磁芯，100摄氏度时bs=3900gs=0.39t，如图所示： =1950gs图 2.5 pc40磁感应变化曲线 如果引用欧美国家常用的单位密尔，可以写为mil。用它时对选择导线简单些，所以密尔是导线的直径或薄板厚度的单位，1mil=0.001英寸。直径为1mil的金属丝面积为圆密尔，可以为c.m。换算时，可以考虑其关系为 1圆密尔=0.78*10，下表列出美式线规重薄膜绝缘的导线规格，包括直径的大小，标称面积的圆密尔和每千英尺的电阻值。设我们在选择导线时，确定电流密度值为400c.m/a，则通过3.44a电流时需要的圆密尔为3.44*400c.m/a=1376c.m。参阅表选取awg18#,其最大的直径为0.437英寸。所以将 dw=0.043代入式（2.3）得 app = =4.375cm占窗口大部分面积的是副边绕阻，一般取app 只为ap的1/41/3,取 app =1/4p ap=aw*ae=3*4.375=17.5从产品目录中可以查得2-75ei磁芯和线圈骨架乘积为 ap=ae*aw=7.26*2.72=19.7519.7517.5,选取此型号磁芯与线圈骨架合适。d. 计算气隙长度lg由于反激工作模式是单向激磁，为防止磁饱和应加气隙。气隙有较大的磁阻，而且能量是存在气隙所构成的体积vg中，故有 1/2lpi （2.6） 式中 h-磁场强度 vg-气隙的体积，vg=ae*lgcm。 由式2.6得 lg = =0.11cm 因此，应在磁芯中心柱打磨出气隙0.11cm或在磁心两外侧各打出0.055cm，在这个基础上在进行调整。也可以选取已有气隙相近的磁心，并进行调整。e. 原边绕阻匝数计算 =匝 (取50匝)f. 副边绕阻匝数计算 绕阻采用堆叠法，这也是变压器厂家常常采用的方法。其特点是10v绕阻给36v绕阻提供部分匝数，而60v绕阻则包含了10v和36v绕阻的匝数和新增的匝数。堆叠法技术先进，不仅可以节约导线，减少线圈面积，还可以增加绕阻之间的互感量，加强耦合强度。 以10v为例，设整流压降为0.7v，绕阻压降为0.6v。则副边的电压值为10+0.7+0.6=11.3v原边绕阻每组的匝数为310/60=6.2v/匝则副边匝数为ns=11.3/6.2=1.82匝 （取2匝）因副边取取整数2匝，反击电压小于正向电压，新的每匝的反激电压是11.3/2=5.65v/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持伏/秒相等。 ton=对于36v直流输出，考虑绕阻和二极管压降1v后为37v vf=37/5.65=6.5匝 （取7匝）对于60v直流输出，考虑绕阻和二极管压降1v后为61v ns1=61/5.65=10.8匝 （取11匝）g. 副边绕阻的线径 按电流密度值为400c.m/a考虑，通过4a电流需要 400c.m/a*4a=1600c.m（圆密尔）考虑集肤效应及绕制方便选5股并绕，每股为1600/5=320圆密尔，参考表选取awg25#导线。其圆密尔即为320.只要其他条件允许，导线实际通过的电流值为 320*5/400=4a2.3.3 高性能电流控制器uc3842是高性能的固定频率电流模式控制器专为离线和直线至电流变换器应用而设计。这些集成电路具有微调的振荡器，能进行精确的占空比控制，温度补偿的参考，高增益的误差放大器。电流去一起昂比较器和电流图腾柱式输出，是驱动功率mosfet的理想器件。a. 芯片介绍uc3842是由unitrode公司开发的新型控制器件，是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器闭。b. 管脚功能说明图 2.6 芯片封装# 管脚1 误差放大器输出，并可用于环路补偿。 # 管脚2 误差放大器的反相输入。 # 管脚3 一个正比于电感器的电压接此输入，脉宽调制器使用此信息种植输出开关的导通。 # 管脚4 通过将rt接vref以及电容ct接地，使振荡器频率和最大占空比可调。 # 管脚5 控制电路和电源接地 # 管脚6 该输出直接驱动mosfet的栅极。 # 管脚7 接控制集成电路的正电源。 # 管脚8 为参考输出，它通过电阻rt和电容ct提供充电电流。c.时序图图 2.7 uc3842时序图d. 工作描述 uc3842专门设计用于离线和直流-直流变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供使用最少的外部元件的高性价比的解决方案。代表性框图如下：图 2.8 芯片内部图e. 振荡器 振荡器频率由定时元件rt和ct选择值决定。电容ct由5.0v的参考电压通过rt充电，充至约2.8v，再由一个内部电流宿放至1.2v。在ct放电期间，振荡器产生一个内部消隐脉冲保持“或非”门中间输入为高电平，这导致输出位低状态，从而产生了一个数量可以控制的输出静区时间。f. 误差放大器 提供一个有可以访问反相输入和输出的全补偿误差放大器。此放大器具有90db的典型直流电压增益和具有57相位余量的1.0mhz增益为1带宽。同相输入在内部偏置于2.5v而不经管脚引出。典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反向输入监视。最大输入偏置电流为2.0ua，它将引起输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器电阻的乘积。g. 电流取样比较器和脉宽调制锁存器 uc3842作为电流模式控制器工作，输出开关导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出/补偿建立门限电平时终止。这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器-脉宽调制锁存器配置确保在任何的给定的振荡器周期内，仅有一个出现的输出端。电感电流通过插入一个与输出开关q1的原极串联的以地位参考的取样电阻rs转换为电压。此电压由电流取样输入监视并与来自误差放大器的输出电平相比较。在正常的工作条件下，峰值电感电流有管脚1上的电压控制，其中： 当电源输出过载或者如果输出电压取样丢失时，异常工作工作条件将出现。在这些条件下，电流取样比较器门限将被内部拉至1.0v。因此最大的峰值开关电流为： h. 欠压锁定 采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出级被驱动之前，集成电路已完全有用。正电源和参考输出各由分离的比较器监视。每个都具有内部的滞后，以防止在通过的它们各自的门限时产生错误输出动作。uc3842的vcc比较器上下门限范围16v/10v。i. 输出 这些器件有一个单图腾柱输出级，是专门用来直接驱动功率mosfet的，在1.0uf负载下，它能够提供高达1.0a的峰值驱动电流和典型值为50ns的上升，下降时间。还附加一个内部电路，是得任何时候只有欠电压锁定有效，输出就进入灌入式，这个特性使外部下拉电阻不再需要。 图 2.9 mosfet 驱动电路j. 参考电压 5.0v带隙参考电压在25摄氏度时调整误差至2.0%它首要的目的是为了保证为振荡器定时电容提供充电电流。参考部分具有短路保护功能并能想附加控制电路供电提供200ma的电流。 2.3.4 主充电电路设计a 电路设计理念： 如图2.10所示，in0正比于电池的电压，in1通道将采集分压电阻两端的电压差值，该电压可以通过一个分压器得到。为了最大限度地降低分压器对电池的影响，分压器的电阻值应该足够大，但阻值过高又会使噪声抑制能力下降，因此分压器的电阻值应在100k-1m之间选取。分压比例为9:1。采样电压为原电压的十分之一。in1正比于充电电流，根据r32阻值可将电流转换成电压参数提供给cpu进行a/d采样。p10端控制放电电路。 mosfet为开关控制器形成正输入正输出的buck电路,因为mosfet的启动电压为48v，单片机不能驱动，于是搭建一个驱动电路。如图2.10所示，功率mosfet属于电压型控制器件，只要栅极和源极之间施加的电压超过其阈值电压就会导通。由于mosfet存在结电容，关断时其漏源两端电压的突然上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小，关断速度较快。但它不能提供负压，故其抗干扰性较差。为了提高电路的抗干扰性，可在此种驱动电路的基础上增加q3、q2以及r23组成的负压从而避免受到干扰产生误导通。图 2.10 buck电路原理图b 电路计算： 输入电压：60vdc，输出电压24-50v，纹波电压为输出电压的0.5%，即vo/vo0.5%，工作频率定为20khz。 例如：密度为1127 g / cm3 阀控式密封铅酸电池, 在浮充电压为2.25 v/ 只时,浮充电流为45 ma / 100 ah，由于目前市场上常见的电动自行车蓄电池均在100ah容量以内，故以i=45ma来作为电流值的估算；又由于要求的电池电压在24-48v之间，故浮充电压约为u=27-54v。故电池浮充阶段的等效电阻约为r=u/i=27/0.045-54/0.045=600-1200欧姆则：（1）占空比：d=vo/vs=24604860=0.40.8. （2）临界电感: lc=(1-d)rts/2=0.6r2*20*1000=18(mh) (3) 取电感量为临界电感的2倍即：36mh （4）峰值电流： itp=vo/rmin+vo(1-d)ts/2l=48600+48*3*0.0012*36=0.09a. (5): vo=vo(1-d)ts2/8lc 即c=vo(1-d)ts2/8lvo c=48*0.6*50*50 / 8*36*1000*0.005*48=1.04uf2.3.5单片机控制单元设计a 单片机的选取at89s52为 atmel 所生产的一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系统可编程flsah存储器。功能强大故选用该芯片。at89s52主要功能列举如下：# 拥有灵巧的8位cpu和在系统可编程flash# 晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12mhz）# 内部程序存储器（rom）为 8kb# 内部数据存储器（ram）为 256字节# 具有32 个可编程i/o 口线# 具有8 个中断向量源# 三个 16 位定时器/计数器# 三级加密程序存储器# 全双工uart串行通道图 2.16 芯片封装b. at89s52系统：如图2.17所示: at89s52单片机最小系统由以下几个部分组成：# 晶振电路，单片机要想工作必须有一个外部的时钟源，这个时钟源由外部晶振产生，具体电路为图中的y1、c2、c3，在做电路板时应注意晶振和电容要靠近18 脚和19 脚放置，如果放置过远可能会造成晶振不能起振，或工作不稳定。典型值为c02、c03 30pf，y1 12m。# 复位电路，复位电路包括上电复位和手动复位两部分，52系列单片机多为高电平复位，也就是说rst（9）脚上只要有持续两个机器周期以上的高电平就能使单片机复位，因此上电复位的原理就是利用电容充电的一段时间将复位脚拉至高电平，使单片机完成复位，c01 可以选用104 或105 之类的瓷片电容，r1 在电容充电结束后将复位脚拉至低电平，保证单片机正常工作。# isp 下载接口，改下载接口在实际制作时可以用双排的5*2 的排针代替，电路是根据标准的isp下载线来设计的，与常用的并口下载线，串口下载线和笔记本用的usbasp 下载线兼容，只需将下载线接口插到本接口上就可以直接向单片机烧写程序。图 2.17 at89s52系统接线2.3.6 温度采集及ad转换单元设计a 温度采集 在设计中，需要随时的对电池和cpu进行温度测量，在这里我们采用18b20温度传感器对温度进行采集。图 2.11 芯片封装图 18b20数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。信息通过18b20送入或送出，因此从中央处理器到18b20仅需要连接一根线。读，写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。 为了使18b20能完成准确的温度转换，当温度发生变化时，i/o线上必须提供足够的功率。因为18b20的工作电流高达1ma，5k的上拉电阻将i/o没有足够的驱动能力。18b20通过使用在板温度测量专利技术来测量温度。温度测量电路如下：图 2.12 温度测量电路 18b20通过门开通时间内低温度系数振荡器经历的时钟周期个数技术来测量，而门开通期由高温度系数振荡器来决定。b ad转换 这一器件选用美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率，双通道a/d转换芯片adc0832。 图 2.13 芯片封装图(1) adc0832具有的特点：# 8位分辨率；# 双通道a/d转换# 输入输出电平与ttl/cmos相兼容# 5v电源供电时输入电压在05v之间# 工作频率在250khz，转换时间为32us# 一般功耗仅为15mw；# 8p,14pdip(双列直插)，picc多种封装；# 商用级芯片温宽为0-+70，工业级芯片温度为-40-+85；(2) 芯片接口说明：# cs_ 片选使能，低电平芯片使能；# cho 模拟输入通道0，或作为in+/-使用。# ch1 模拟输入通道1，或作为in+/-使用.# gnd 芯片参考0电位（地）。# di 数据信号输入，选择通道控制。# d0 数据信号输出，转换数据输出。# clk 芯片时钟输入。# vcc/ref 电源输入及参考电压输入（复用）。图 2.14 adc0832与at89s52原理图adc0832为8位分辨率转换芯片，其最高分辨率高达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05v之间。芯片转换时间仅为32us，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。通过di数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 (3). 单片机对adc0832的控制原理： 正常情况下adc0832与单片机的接口为4条数据线，分别是cs,clk,do,di. 但由于do端与di端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将do,di并联在一根数据上使用。 adc0832未工作时其cs输入端应为高电平，此时芯片禁用，clk和do/di的电平可任意。当要进行ad转换时，须将cs使能端置为低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端clk输入时钟脉冲，do/di端则使用di输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前di端必须是高电平，表示启动信号。在第2，3个脉冲下沉之前di端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表2.1。表 2.1 功能表如表一所示，当2位数据为“1”，“0”时，只对ch0进行单通道转换。当2位数据为“1”“1”时，只对chi进行单通道转换。当2位数据为“0”，“0”时，将cho作为正输入端in+,chi作为负输入端in-进行输入。当2位数据为“0”，“1”时，将cho作为负输入端in-，chi作为正输入端in+进行输入。到第三个脉冲下沉之后的di端的输入电平就失去输入作用，此后do/di端则开始利用数据输出do进行转换数据的读取。从第四个脉冲下沉开始由do端输出转换数据最高位data7,随后每一个脉冲下沉do端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据datao，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从11个字节的下沉输出data0.随后输出8位数据。到第19个脉冲时数据输出完成，也标志一次ad转换的结束。最后将cs置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。图 2.15 adc0832时序图作为单通道模拟信号输入时adc0832的输入电压是05v且8位分辨率时的电压精度为19.53mv。如果作为由in+与in-的输入时，可是将电压值设定在某一个较大的范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行in+与in-的输入时，如果in-的电压大于in+的电压则转换后的数据结果始终为00h。2.3.7 输入即显示单元设计a 键盘输入单元此充电器是对24v,36v,48v三档电池进行充电，对不同规格，不同容量的电池进行键盘输入，本设计的解决方法是采用一个4键盘进行电池种类选择。充电规格(s2)增加键(s3)减小键(s4)确认(s4)图 2.18 4键位设计按键功能：# 充电规格：电池种类、电池电压、电池容量，每次按键都会在这三种之间选择一个# 增加与减小键：当充电规格为电池种类时，在铅酸电池、镍镉镍氢电池之间选择；当充电规格为电池电压时，在24v、36v、48v之间选择；当为电池容量时，增加与减小键为容量的输入。 设计采用行扫描法,对p20,p21,p23,p24进行扫描。当不工作时4接口都为高电平，工作时为