多功能充电器电路分析及其编程控制的实现

1、2005年第5期商丘职业技术学院学报Vo1.4,No.5第4卷(总第20期)JOURNALOFSHANGQIUVOCATIONALANDTECHNICALCOLLEGEOct.,2005文章编号:1671-8127(2005)05-0046-04多功能充电器电路分析及其编程控制的实现苏济,刘怀望12(1.西华师范大学,四川南充637000;2.商丘职业技术学院,河南商丘476000)摘要:多功能充电器是一种高性能低价位的可对镍镉、.GMS97C2051作编程控制器,其内部的比较器用作电池高温度检测,用一片LM324TL431恒流电路、电压检测电路、基准电压源电路.关键词:恒压;恒流;充电器;电

2、压检测;控制中图分类号:TM91012:A1多功能充电器是由基准电压源、恒压恒流电路、电压检测电路、电池最高温度检测电路和放电电路等部分构成,其电路原理图如图1所示.1图1充电器原理图1.1基准电压源电路由TL431、T3、R18、R19、R20、C5组成.作为电池电压检测基准,同时作单片机电源.由电路分析可知,当R19=R20时,晶体三极管T3的射极(e)电压为TL431内部基准电压(UR=2.5V)的2倍,即Ue=2UR=5.0V.1.2恒压恒流电路如图1中由U1A和U1B及其周围元器件所组成的一个典型的双环反馈控制电路.其中U1A为电压控制的运放,U1B为电流控.由电路分析知:电压控制的

3、输出电压U0控制着电流控制的电流设定值,因此电压控制先于电流控制,.电路工作原理如下:恒压控制电路由运放U1A、电阻R1R10、电位器W1、电容C1、二级管D1以及开关SW等组成.其作用是锂离子电池充电收稿日期:2005-05-11作者简介:苏济(1975-),男,河南永城人,商丘职业技术学院助教,西华师范大学在读硕士研究生,主要从事教育经济管理和技术研究.46时,控制电池电压不超过设定值.恒压设定值US由R1、R2和W1对基准电压5V分压确定,当SW联接电池的正极后,反馈电压UC由R8、R9对Ub+分压引入,加上R6、R7、C1形成电流控制电路.由电路可知,设误差电压E=Ua-Uc,则有U1

4、=Ua+E(P+Idt),式中比例系数P=R6/R7,常数I=1/(R7C1).当Uc较小(即E0)时,U1会不断增大直到消除误差(E=0),否则U1达到最大值,但由于二级管D1的钳位作用使U0=5.6V,从而使电流控制电路的设定电压Ud=U0R12/(R11+R12)不变,相应地电池以恒流方式充电.2反之,当Uc较大(即E0)时,U1会不断减小直到消除误差(E=0),否则U1达到最小值U1=0,从而使电流控制电路的设定电压Ud逐渐减小至零,相应电池以恒压方式充电.显然,恒压控制是通过调节电流控制电路的设定电压,即改变电池充电电流完成的.电路主要参数由以下方程计算:Ubt=Ub+-Ub-(Us

5、-Ua)/R3=Ua/R4+(Ua-Ub-)/R5(1)(2)(3)(4)当恒压控制电路处于平衡状态时,电容C1无电流,则有:Uc=R8Ub+/(R8+R9)Uc=Ua式中:Ub+b-;Ubt;Us设定控制电压.,即:Ubt=Us(5)(6)其中,隐含约束条件,恒压控制与Ub-的取值无关,因此在方程组中,消去Ub-必须满足:R3=R5这里,Us为确定量;其余Ubt、Ub+、Ub-、Ua、Uc、R3、R4、R5、R8、R9等10个参变量应满足上述方程(1)(6).由于变量数比方程数多4个,所以需要确定的参数R3、R4、R5、R8、R9则有无穷多组解.因此求解需增加四个约束方程.不妨设:R3=R4

6、=R5=R8=R(R取标称电阻值)将其代入上述方程组,易解得:R9=2R,则有R3=R4=R5=R8=12k,R9=24k.若取R=12k当电压反馈开关SW接地(即充镍镉电池时)或者电池端电压小于设定电压(即UbtUs)时运放U1A饱和输出,但由于D1的钳位作用使U0=5.6V,这时电流控制的设定值为常数(由电阻R11和R12对U0分压确定),相应地电池以恒流方式充电.电流控制电路由运放U1B、三极管T1、T2、功率三极管TP、电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、RF、电容C2、C3等组成,其中R11、R12对电压U0进行分压得Ud作为设定值;R13、R14、C2构成比

7、例积分电路,运放U1B的输出通过T1和TP控制充电电流,RF作为电流2电压反馈电阻,电压Ub-为反馈电压.由于电流控制电路能消除静差,因此当调节平衡时Ub-=Ud,充电电流为Ud/RF.由以上分析可知:当UbtUs时,U0=516V,若经R11和R12分压后设定值为Ud=160mv,取RF=015,则恒流方式充电电流Is=320mA.通过改变RF的阻值,则能调节Is的大小.三极管T可控制晶格管,与T2饱和导通时,使T1截止,Tp也无电流输出.充锂离子电池时,开关SW接电池的正极.当电池端电压小于设定电压(即Ubt恒压控制起作用,通过降低输出电压U0使充电电流逐渐减小,以恒压方式充电.Us)时,

8、以恒流方式充电;当Ubt=Us时,1.3电压检测电路通过电压检测电路,对电池电压检测,达到识别电池充电状态以便进行控制的目的.电路由两个运放UIC、UID、三极管T4和T5以及电阻R21、R22、R23、R24、R25、R26、电容C6、二级管D4组成,其中UID组成积分电路,UIC作上、下限电压比较器.这里当三极管T5截止时上限电压为基础电压5V;当T5饱和导通时下限电压由R25、R26分压确定,若取R25=R26,则下限电压是2.5V,从而保证运放工作在线性工作区.3由电路图1分析可知开关三极管T4控制积分电容的充电和放电,当其饱和导通时,电容C6充电.若忽略电阻RX的压降(因RX=RF其

9、压降不大于160mV),令R21=R22则充电电流:I.5Ubt/R24C=0(7)(8)而当T4截止时,使电容C6放电,则放电电流为:I.5Ubt/(R23+R24)D=0,R24=5.1k,RX=RF=0.5时,R23mR24,放电比充电缓慢得多,且放电过程不受三极管T4的影响,因令R23=470k此利用放电过程来检测电池电压可保证较高的精确度.远放UID输出电压,由5V降到2.5V,即电容C6的端电压因放电下降U=5-2.5=2.5V时,所需时间T由以下式推导可得:由C6=dq/dU得(式中dq为电容电荷增量,dU为电容电压增量):47dq=C6dU(9)(10)(11)(12)流径电容

10、C6的电流:IU/dt即:D=dq/dt=C6dIUDdt=C6d对(10)式两边定积分得:UIDT=C6由(8),(11)式得:T=C6U/I.5(R23+R24)/(0.5Ubt)D=C62,R24=511k,C6=0.1F代入上式得:将R23=470kT=237.6ms/Ubt(Ubt单位为伏特时,T单位为ms)由以上分析可知放电时间T仅与电池电压成反比,1/T与Ubt.由于是积分检测,因此对电池电压的高频干扰完全可以消除,.1.4电池最高温度检测电路利用GMS97C2051.电路原理图中,内部比较VRPRt(未画出)对5V基准电压的分压作为被测电压,接内P1.0.Rt,当电池温度升高时

11、,Rt阻值则减小,其分压即被检测电压也同时降低,当低于2.5V时,(P3.6)低电平,这时即认为电池温度达到最高控制温度.1.5放电电路由三极管T6和电阻RD组成,并受单片机P3.7控制,放电电流大约为IDIS=Ubt/RD.2编程控制实现2.1I/0接口分配P1.2输入检测放电请求键DIS-K的状态;P1.3输入检测恒压控制反馈开关SW的状态,以确定充电模式;P1.5和P1.7输出驱动LED作充电器状态显示;P3.2、P3.3和P3.4为电压检测专用,其中P3.4输出驱动T4用以控制积分电容C6的充电和放电;P3.2输出驱动T5用以选取比较基准电压5V或2.5V;P3.3输入检测电容C6从5

12、V放电到2.5V时的时间T;P3.5输出驱动T2用以控制电池充电;P3.6输入检测电池最高温度;P3.7输出驱动T6用以控制电池放电.2.2程序功能及实现方法程序采用模块结构,主要有定时中断及I/O刷新子程序,A/D转换及滤波子程序,锂离子电池充电方式控制及其状态识别子程序,镍镉/镍氢电池充电方式控制及其状态识别子程序,主控程序.2.2.1定时中断及I/O刷新子程序4提供时间基准;输入刷新,即读入P1.2、P1.3、P3.6状态,并使相应的软标志置位或复位;输出刷新,即根据输入刷新和程序状态识别处理结果,通过P1.5、P1.7、P3.5和P3.7进行输出控制.2.2.2充电时A/D转换及滤波子

13、程序将模拟电压转换为数字量,通过数字滤波处理提高抗干扰能力和可靠性.它是识别电池充电状态的基础.一般认为当充电电流减少到最大充电电流(恒流)的10%时可认为电池充满.为了间接检测充电电流在电流回路中加入一电阻Rx,使流经Rx的电流转换成电压变化,再配合充电状态下的A/D转换数值和停止充电状态下的A/D转换数值的比较结果,就能识别是恒流方式充电还是恒压方式充电.2.2.3锂离子电池充电方式控制及其状态识别子程序锂离子电池充电方式是当电池电压低于4.2V时,以恒流方式充电;当电池电压达到4.2V时,以恒压方式充电(这由硬件).另外还有充电45s停充电1s的要求,.2.2.4镍镉/镍氢电池充电方式控

14、制及其状态识别子程序镍镉/镍氢电池一般以恒流方式充电,也有以脉冲方式充电.镍镉/镍氢电池充电状态由电池电压增量U识别,根据相关资料和用本充电器进行多次试验结果作出了电池充电图(如图2所示),证实电压增量U为负时电池充满,此时电池的温度显著升高.5为了提高识别电池充满的灵敏度,根据电池电压检测的最大值估计电池节数N,设置相应的判别阀值Us,一般取Us=-6NmV.为了提高电池充满识别的可靠和准确性,要求连续三次满足电池充满条件(即U=Us)才予以确认.3实验结论此充电器品质的好坏取决于电压A/D转换的精度和可靠性.为了检验本充电器的电压A/D转换的性能,在充电器控制48图2-s,(PC机)传递数

15、据(,并有助于进一步的研究.经过对几种电池大量的充电实验证明,A/D(5mv)和可靠性都很高,且测量电压范围也很宽.所以,高性能低价位的电压A/D.参考文献:1黄海才.充电器J.力源电子工程,1999,(1):1920.2钱爱宇,杜斌.微机通信技术M.西安:西安电子科技大学出版社,1994.3杨志忠.数字电子技术M.北京:高等教育出版社,2000.4路有容.PC系列微机接口扩展设计M.成都:成都科技大学出版社,1994.5王鸿麟,等.现代通信电源M.北京:人民邮电出版社,1998.责任编辑冯喜忠TheCircuitAnalysisofVariousFunctionalChargerandthe

16、RealizationofProgrammingControlSUJi,LIUHuai-wang(11ChinaWestNormalUniversity,Nanchong637000,China21ShangqiuVocationalandTechnicalCollege,Shangqiu476000,China)Abstract:ThechargerofvariousfunctionswhichhashighperformanceandlowpriceisakindofcircuitequipmentthatcanchargethebatteriesofNi-Cd、Ni-HandLi.ThechargeradoptsGMS97C2051astheprogrammingcontrollerwhoseinner