基于UCC3809及UC3909的电动自行车充电器

1、基于ucc3809及uc3909的电动自行车充电器张志恒（山西大学工程学院,山西太原030013）charger for electric bikes on base of ucc3909 and uc3909zhang zhi-heng（engineering college of shanxi university, taiyuan 030013）摘要：本文介绍了箫电池充放电机理；ucc3809及uc3909的内部结构，以及基t ucc3809及uc3909设计 的一种高性能充电器的电路原理、参数确定、及整机调试过程。并提出了以绢流充电方式消除电池极板硫 化现象的方法。abstract:t

2、his article introduces the principle of battery charging and discharging and the inner structure of ucc3809 and uc3909.as well as the circu it principle parameter set ting and testing process of the high property charger on base of ucc3809 and uc3909 and a way of trickle charging to remove the vulca

3、nization on the battery plate is suggested here.关键词：铅酸蓄电池;充电器;ucc3809； uc3909；.key words: lead acid battery； charger； uc3809； uc39091. 引言：丨1前已商品化的电动自行车绝人多数是使川密封式铅酸蓄电池。铅酸蒂电池充电时变成硫酸铅 的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解掖中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中 的硫酸浓度不断变大；反z放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发牛反应变成 硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸舊电池

4、充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化 变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电不足或过放电，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣; 反z如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增人，导致气体外溢， 电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。蕃电池设计寿命都在8年以上，但电 动自行车蓄电池往往23年就会损坏，其原因主要是因为充电不合理造成其寿命缩短的。有鉴于此，笔 者设计制作了一款四阶段恒流限压式密封铅酸蓄电池充电器。2. 充电器原理：充电器原理图如图1所示该充电器利用ucc3809和uc3909构成一种四段式充电器,其目的是对48v蓄电池组

5、（4块串联的 12v20ah蓄电池）尽可能更快更安全的充电到其额定容量，同时对长期充电不足或过放电蓄电池进行绢流 充电，以对蓄电池起到维护和修复的作用。根据蓄电池厂商数据，蓄电池组以恒流充电到voc = 5& 8v后转为恒压充电,这时充电电流开始下降,当电流下降到0】k的10%,即iocr=400ma时,转为浮充 状态，浮充电压为vft = 55.2v。当蓄电池组放电到电压下降为vchgenb=42v时为放电终止电压,此电压也图2蓄电池组充电电流电压曲线做为恒流起充门限电压，当电池纽电压低于 讥価：时，说明蒂电池被过放电或长期充电不 足品质变劣，这时该充电器就会以itc = 80ma（

6、st的2%）的绢流对蓄电池组进行充 电，以消除极板硫化现彖，从而对蓄电池起 到维护及修复作用。充电曲线如图2所示。2. 1原边电路工作原理原边电路由ucc3809组成，其内部结构 如图3所示，包含方波振荡器：误差比4交器, 5v基准电压源；脉觅调制电路；输出驱动电 路以及软启动电路等。允许市电波动范围图3 ucc3809內部结构+ 10%一25%；这样。端直流变化范围为198v340v。电路开关频率及最大占空比由rti, rt2和g.决 定,css决定软启动时间。res, r1, r2, r3, czb以及光 耦0卜b构成反馈电路，g是芯片内部参考电源的旁路 电容，r|, d1和c2构成ucc

7、3809供电电源。rsm csm、 rsn2> csw和dsn构成铃流及dv/dt拟制电路。2. 2副边电路工作原理副边电路rh uc3909及其外围元件构成，uc3909 内部结构如图4。其内部包括欠床保护电路；充电状 态逻辑控制电路；电流检测放大器；电床误差放大器; 电流谋差放人器，方波振荡器；脉宽调制比较器；温 度补偿放人髀；以及可提供100ma集电极开路输出驱图4 it3909内率甜2q)r1ohthm 1vlogic 219 oscwrsetgnd 317 cs-vcc 4out 6stat1 616 cso14 cao12 va-jlvaochgenb 10图5 uc3909

8、w脚图stat0 叵 8tatlv 叵 ovctap 叵动电路等。uc3909为20脚双列直插芯片如图5所示，其管脚定义为:ca-：电流误差放大器反相输入端；ca0：电流误差放大器的输出端;在内部与pwm比较器的反相输入端相连;cs-, cs+：它们分别是电流检测放人器的反相输入端和同相输入端。该放人器为5倍固定增益放大器电压范围为-250mv+vcc； cso：电流检测放大器的输出端；chgenb：比较器输入端，当检测到电池电压过低且使充电器位于涓流充电状态吋，充电器的使能比较器迫使电压误差放人器输出端呈高阻态；gnd：参考接地端；ovctap：恒压 充电电流检测端，当恒压充电电流减小到比浮

9、充门限电平低时，控制电路转入浮充电状态；osc：内部振 荡器外接电容端，对地接一个电容器ct,斜坡在接近于1.0v到3.0v之间振荡。out： pwm驱动器输出端; r10：用来设置相应电压温度补偿放大器的输入端。从该点对地连接一个10k的电阻；rset：外接一个对 地电阻以设置pwm比较器恒流充电电流和涓流充电电流门限值，充电电流约为1。75/rset ma .绢流充电 电流约oo 115/rsetma ； rthm：对地接一个10k热敏电阻,并将该电阻粘贴到电池表面。温度补偿放大器 常温输出2. 3v,并以-3. 9mv/°c温度系数呈指数变化。推荐使川l1005-5744-10

10、3-d1型号热敏电阻；stato： 集电极开路输出，做为充电状态编码的第一个编码位；stat1：集电极开路输出，做为充电状态编码的第 二个编码位，充电状态编码表如表1所示表1充电状态编码表充电状态stat1stat0绢流充电状态00恒流充电状态01恒压充电状态10浮充电状态11statlv：当充电器处于浮充状态时，这位呈高电平；va-：电压误差放大器的反相输入端；vao：电压 误差放大器输出端，最高电压被箝位到5v； vcc：芯片的电源输入端。芯片的电压范围为7.5v到40v,而 且需接一个inf的旁路电容；vlogtc：精确参考电压，需接一个0. inf的旁路电容。由uc3909及其外围 元

11、器件组成副边电路。d4和c4为其提供工作电源。当充电器失电时,q2、q3、r6和r7将断开与电池相 连的充电回路。山rs：、rs2、和rs4组成分压回路,来决定各种充电状态转换的所有门限电压值。由rovci 和rovc2构成分压器用來设置恒压充电转换到浮充电状态的门限。rcs为充电电流检测电阻，rsi. rsf2、csf 构成电流检测放大器频率补偿电路，以拓展其通频带。rst设置充电电流及绍流充电电流。3. 参数确定3. 1脉冲变压器参数确定注 论文中将用到以下儿个变量：上划线 一最大值；下划线一金最小值；恳一平均值（1）脉冲变压器变比的确定脉冲变压器变比由式匕$+ v,.+ spike 确左

12、其1'： vps：最大的开关峰值电压（开关管选川击穿电压为900v50a的nmos功率开关管，为安全起见， 限定开关峰值电压为700v） ； vdc：输入滤波器cl电容端最大直流电压（340v） ； vis：最大的次级绕组导 通电压（58. 8v +1v二极管导通压降）；np/ns：脉冲变压器变比；vspike：反射电压（vdc的30%）。根 据这些数值，取np/ns = 3时，最大将得到一个621v开关峰值电压。这对900v的功率开关管是安全的。（2）功率计算脉冲变压器最大输出功率要求为:pout =克ut (vbatt + diodeu.b其中:pout是输出功率;lout是最大输

13、出平均电流（ibulk=4a） ； vbatt电池组的最高电压（常温 时为58. 8v） ； vdiode的整流二极管的导通的电压（iv）。脉冲变压器输入功率是输出功率加上损耗功率。保守估计是（基于整流管效率可达80%）: 在此应用中,输出功率为240w,输入功率300w。（3）线圈、故大“导通”和“复位”时间、峰值电流和开关频率的确定开关频率取lookhz对lcc3809为最佳选择。确定电路工作在不连续状态，最人的开启与复位时i'可之和不得超过转换周期的90%o根据以下公式进行计算确定:12p宀p lpfs7alp =(1);fa/n，s =，pn(2)；叫(3)；倘1t - 乩.0

14、.85ton + rst 尸(5)；5曲j + s(4)；(6)其中：lp是初级线圈的峰值电流；lp是初级电感量；is是次级线圈的峰值电流；ls是次级电感量;ton是导通时间；t rst是复位时间；fs是转换频率代数处理z后，得：訥5l°85n p (卩亦眇+ v&&g )丿fs由公式得,t on将小于2. 53us而t rst将小于6. 47us。 同理，将式(1)和(2)转化之后，lp大约是42uh ,式(4)中的ls大约是4. 7uh。式(2)中的初级峰值感应电流为11.93a。(3)中的次 级峰值感应电流为35. 78ao(4) 感应电流均方值周期性三角波脉冲

15、电流均方值是：(9)其中：ip是峰值电流值：t是基本的脉冲宽度；t是波形周期。初级和次级均方值电流分別是3. 5a和10.38ao(5) 磁芯和绕线的选择和计算高频变压器磁芯采用北京798厂生产的r2kb磁芯pq50/50,其有效中心柱截而积为a°=3. 1416cm2,其 磁芯窗口而积为aq=4. 18 cm2,因此其功率容量为ap = aoxaq=13.2,其磁通密度为bin=1500gso电感系数 可表不为:,n <1>其中：i，是电感值(单位是亨利)；n是电感线圈的匝数；e是n匝线圈磁通量；是感应线圈的的电 流(单位是安培)。4)等于aeb,其中的ae为感应器的有

16、效血积，b是磁通量密度。o l1机(10)如果b限制在150mt (接近滚降曲线b-h) , np必须大于等于18匝。如果np设为24匝,那么ns为 8匝。实际绕制脉冲变压器时，初级选用0. 5英寸宽和0. 007英寸厚的铜箔带。次级选用0. 44mm高强漆包 线绕制，经过大量试验，磁芯开2. 8cm气隙时，电源工作稳定。为了满足绝缘的要求，在初级电路和次级 电路绕组间使用三层的绝缘带。为ucc309和uc3909提供电源的两个绕组，其次级电压为：(11)对ucc3809,电源电压在10. iv至lj 15.5v之间。uc3909的电压在15. 5v到23. 75v之间。因此分别选1 匝和2匝

17、，用0. 38mm高强漆包线即可。3. 2其他参数确定(1) ucc3809外围元件确定为了使磁芯不会饱和，初级电路可以通过调整一些电阻值对初级电流加以限制。如果这个状态被选定 在loomt时，m (10)短 初级电路峰值电流ip必须小于17. 9ao在这个电流达到17. 9a时，ucc3809 fb 管脚的电压必须为lvo当穿过光耦的反馈电流为零时，必须满足下式：(12)此外，为了使次级电路可以控制最小获得脉冲宽度，r1上电压为3.0v吋ucc3809 fb脚电压为iv； 且感应电阻res上没有电流。res的值很小在计算中可忽略。即：(13)r3.0=1.07?3 + r?如r3选为ik,

18、r2则为2k。选择r1时必须考虑到光耦ii11a817a,其电流传输比为80%到160%,而且 经过二极管的电流范围为2ma-30ma时完全呈线性。将r1调在220 q光耦将进入线性范围。这时res为0. 08 欧，电源全部负荷分散在res上，功率仅为450inw,所以res应选用的电阻。在ucc3809的fb管脚，需 要一个电容。这个电容是用来滤掉穿过lp产生的电流尖脉冲。在这里，选择的电容器czb就是起这个作 用的。由220pf的电容值可得出一个时间常数值为0. 15uso电容ccs和电阻res,也能削弱大量电流尖脉 冲。在给czb和ccs定值时，需考虑的是：其值过大，输出端出现滞后时间过

19、长；如果将它们的值定得太 小，可能导致过早的脉冲终止和不稳定的充电电压。同时，czb的值越人，最小可获得的脉冲宽度将越宽。 ucc3809具有可变的最大开启时间和最小的关闭时间。组件rt1, rt2和ct决定了这些时间。因为丫 on在 整个周期的最大值是2. 53us, 一个周期t是10us,所以t off为7.47us。山ucc3809数据衣可得：% =0.69c7 /?n 处w =0.69ctrt2(14)将ct调在inf, rt1为3.67k, rt2为10. 83k。软启动吋间由css控制。css是由6ua的电流源充电的。 当ucc3809的ss管脚从0v变到0. 7v, ucc380

20、9的输出为高阻态。当电压从0. 7变化到1. 7v,输出端的占 空比将从0增加到故大值。当css值为47nf时，软启动时间为7.5ms。该电容选择过大会造成启动困难或 不启动。r彳为ucc3809提供了启动电流。这个电流至少为loouao在最小立流输入电压时，r4为680k电 路可以为ucc3809提供一个290ua的电流。屁是一个较低值的电阻，选10q用來阻止功率mosfet开关转 换时的抖动。(2) uc3909外围元件确定uc3909内部电流检测放人器没有足够的带宽去处理lookhz信号。为突破这个局限性，电流检测电阻 器出來的信号可经过一个简单的r-c电路(rsf1和csf)给电流检测

21、放大器拓展大约20khz的频带。其插 入损耗为-3dbo rsf2为电流检测放人器提供一个2. 3v的偏置电压。ucc3909内部的电流检测放人器是个 能捉供增益为5倍的、偏置电压为2. 3v的微分放大器。为防止放大器进入饱和区，ca和ca+的电压不得 高于400mvo具此，rcs选20mq, 1.5w的电阻，最大电流时提供80mv的电床。恒流充电电流取决于rg1 和rg2。当充电器工作在恒流充电时，电压误差放大器将停止工作，及vao约为5v。电流误差放大器使 用时，必须确保ca-的电压为2.3v。大电流充电电流为4. 0a, rs上的平均电压为：vrs=4.0x0. 02q=80mv(15)

22、电流检测放人器的输出电压为：vcso=2. 3-5vrs=1.9v（16）ca-脚的总电流为：(17)5-2.3 _ 4.0x0.020x5rg2rg1如果rg2取10k,那么rg1就为1. 47ko当uc3909在涓流充电状态吋，输出电压误差放人器（va0）将工 作于高阻态，涓流控制电流直接流入uc3909的ca-端。涓流控制电流的人小为uc3909的rset管脚电流的 5%0当va0处于高阻态时，涓流控制电流只能流过电阻rg1。因此，涓流的电流为：【trickle/ tricklecontrol 心(18)涓流充电的电流值一般设定为80 ma,这个电流值将在cs0管脚产生个2. 292v的

23、平均电床。涓流控制 电流通过电阻rg1后变为5.4uao而流出rset管脚后输出电流为108ua, rset管脚的电压为2. 3v,所以 在电流为80 ma的涓流充电条件下，电阻rset的值为21. 5k。过充电流（i0ct）是uc3909从恒压充电状态 转换到浮充状态的转换电流。当0vctap脚的电压上升到2.3v时，过充状态将转变到浮充状态。充电模式 的转换发生在：5 2.351 oct rsr()vc1&)uc2(19)如果r0vc2取100k, r0vc1取1. 47k,即i0ct为400ma0浮充电压的大小取决于rsi, rs2, rs3和rs4。 处于浮充状态时，uc390

24、9内部的晶体管statlv处于关断状态。当电池电压高于浮充电压时，va-脚电压将 上升到2.3v。浮充电压为:r%灯(20)如果rs3取10. ok, vfl0at为55. 2v, rs1和rs2的和将为230k。当充电器在恒压充电状态时，恒压 电床（v0c）将加于电池两端。在此状态，v0c为：(21)2 3 *s1 + rs2 + rs3 rs4 rs3 心4其中voc为58. 8v,可得rs4为143. 85k。当uc3909检测到其vchgenb脚高于2. 3v时，充电将进入恒流充电状态。vgenb的值为:vchgenb(22)2 3 sl + rs2 + rs3 rs4 rs2 + r

25、$3 " rs4其中 vchgenb 为 42v,则 rs2 为 3. 76k,则 rsi 为 226. 24k。4结束语电路设计好后，进行了制作，在调试过程中主要是脉冲变床器对电路工作影响较大，原边电感过大时， 输出电流会下降，过小时又会使开关管损耗增加，可通过调节磁芯气隙及原边绕组数來调节，经过大杲试 验，磁芯气隙为2.8cm时电路工作达到最佳；启动电阻&过大时电路启动不了，过人时乂会使ucc3809烧 毁,一般控制启动电流在300u a以内即可;nmos功率开关管可用两只管子并联使用，击穿电压要大t 800v, 散热器而积要大，以保证开关管安全。试验时要先连接电池再接220v交流，否则充电器输出电压会急剧 升高损坏开关。经过试验，该充电器性能稳定，对落后电池具有修复作用，能将电池容量恢复到85%以上。5.参考资料1 laszlo balogh, implement