间歇式脉冲三段式充电器的设计

摘要：介绍了一种用于电动车高性能铅酸蓄电池的间歇式脉冲三段式充电器的设计方法，该充电器不仅对铅酸蓄电池有良好的充电效果，而且还对电池的充电损耗有修复功能，故可大大提高铅酸蓄电池的使用寿命。
关键词：充电器；蓄电池；开关电源；三段式充电

0 引言
    近几年，电动自行车由于具有不用汽油，无废气，低噪音，低耗电，使用方便等特点，已经成为一种非常受欢迎的交通工具。电动自行车中最重要的部分是蓄电池，它直接决定着电动自行车的性能和使用受命，而蓄电池的性能和寿命又受充电器的影响，所以，设计合理的蓄电池充电器对于电动自行车非常重要。目前，电动车普遍使用三段式充电器，第一阶段为恒流阶段，第二阶段为恒压阶段，第三阶段为涓流阶段。由于间歇式脉冲充电方法能有效的修复蓄电池，因此，将三段式充电和间歇式脉冲充电方式进行有效的结合，可形成一种新的充电方法，即歇式脉冲三阶段充电器。采用此充电方法，既可保持三阶段充电器的优点，也有间歇式脉冲充电修复式充电器的特点，故可大大提高蓄电池的使用寿命。

1 充电器的电路组成
    本充电器电路主要由开关电源、充电电路和变压器三部分组成。开关电源部分包括输入防雷抗扰整流滤波电路、开关电路、开关变压器、振荡电路、反馈电路、取样电路、过流短路保护、过压欠压保护等；充电电路部分包括第一阶段脉冲恒流源、第二阶段恒压源、第三阶段恒流源、间歇脉冲电路、散热电路等；变压器部分包括线圈(初级绕组、次级绕组、反馈电源绕组)和铁芯。

2 开关电源电路设计
    在开关电源电路中，本设计选用一块核心电源芯片UC3842。这是一种高性能，固定频率的电流型控制器，可直接驱动晶体管和MOSFET，
并具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点。本设计充分使用UC3842的控制功能来实现对输出电压的负反馈调节以及各种保护。这种开关电源结构简单，性能稳定。对提高充电器的整体性能大有益处。
    图1所示是本设计的开关稳压电源部分电路，该电路主要由输入防雷抗扰电路、整流滤波电路、UC3842芯片电路、振荡电路、反馈电路、过流、短路保护电路以及开关管和开关变压器等部分组成。

    图1中T1、C1、C2、C3电路可组成EMI滤波器，以滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时也可减少开关电源本身对外界的电磁干扰。D1～D4组成二极管桥式整流电路，C5为滤波电容，R3、C9为UC342的振荡元件，T为开关变压器，Q1为开关管。当充电器接上电源，电路得电后，电源经D1～D4和C5整流滤波，即可输出310V直流电压，该310V电压经启动电阻R2给UC3842的7脚供电，当启动电阻R2给C12充电时，电容两端电压上升，当上升到大于16V时，UC3842开启并输出脉冲，以推动Q1场效应管进入开关状态，变压器输出电压，同时反馈绕组经D7、C12整流滤波后输出13V～15V的电压给UC3842的7脚供电，使UC3842进入正常工作，以驱动Q1正常工作。Q1进入正常工作时，变压器输出绕组同时输出电压。电阻R0为取样电阻，当负载电流超过额定值时，场效应电流增加，R0上的电压反馈至CSEN(UC3842的第3脚)，并通过内部电流检测比较器输出复位信号，最后导致开关管关闭。而且只有在下一个基准脉冲到来时，才可能重新开启开关管，当出现输出短路时，输出电压下降，同时为UC3842供电的反馈绕组也会出现输出电压下降。当输入电压低于10 V时，UC3842停止工作，停止触发脉冲输出，以使场效应管截止。当短路现象消失后，电源重新启动并自动恢复正常工作。光电耦合器4N35、电阻R4、R9、R10组成反馈网络，它可使各路反馈信号经这些元件反馈到UC3842的第2脚来控制开关管的导通时间。从而达到稳压稳流的目的。
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3 三段式充电电路设计
3．1 第一阶段恒流源的设计
    该电路采用高精度运算放大器LM393为核心器件，其电路如图2所示。当该电路通电工作时，变压器次级整流输出一个电压加到电池正负级以对电池充电，电流流过电阻R34(电阻阻值为0．05Ω)时，电阻两端的电压为Ui=IoR，则Uil的电压随电压比较放大器放大，当放大到能够开启三极管Q2时， (三极管Q2工作在临界导通状态)，三极管Q2将工作在放大状态，从而拉低其CE两极的电压，从而使光电耦合器耦合加强，并使UC3842的2脚电压上升，同时使调宽脉冲导通宽度变窄，从而使场效应管导通时间变短，以稳定充电电流。充电电流的大小可由RP2决定。

3．2 第二阶段恒压源的设计
    该电路采用TL431精密可调基准电源。TL431的稳压值从2．5～36V连续可调，其电路如图3所示。当电路通电工作，图3中的变压器次级将整流输出一个电压加到电池正级以对电池充电。该电流流过电阻R11给4N35供电，再经TL431到地。TL431两端的电压由RP1决定，调节RP1可改变TL431两端的电压，从而改变4N35内发光二极管两端的电压，从而控制发光二极管的发光强度，进而控制反馈大小。通过控制4N35的第四脚输出到UC3842的第2脚的输出电压大小，再由RP1进行调节，即可得到所要输出的电压。

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3．3 第三阶段涓流充电电路的设计
    涓流充电用主要来弥补电池在充满电后由于自放电而造成的容量损失。一般采用脉冲充电来实现，其电路主要由LM393与TL431组成，具体如图4所示，当电路通电工作时，变压器次级整流输出一个电压加到电池正负级对电池充电，电流流过电阻R34(电阻阻值为0．05Ω)，则U5+的电压与U5-的电压将与电阻两端电压相比较，当电压U5+=IoR>U5-时，电路输出高电平，绿灯熄、红灯亮，代表正在充电；当电流下降到U5+<U5-时，LM393的U5B关闭输出低电平，三极管Q2工作在放大状态，从而拉低CE两极电压，从而使光电耦合器耦合加强，可使UC3842的2脚电压上升，进而使调宽脉冲导通宽度变窄，并使场效应管导通时间变短，从而稳定充电电流。充电电流大小可由RP2决定。

3．4 间歇脉冲电路的设计
    间歇式脉冲电路如图5所示。当电路通电工作后，变压器次级将整流输出一个电压加到电池正负级以对电池充电，当电流流过电阻R34(电阻阻值为0．05Ω)，当电阻两端电压为V5(U5B v5=IoR34)且当U5B(5脚)电压高于6脚电压时，7脚输出高电平，间歇电路开启，此时U6 555定时器开始计时，3脚输出高电平，5秒钟后计时结束，3脚输出低电平。3脚电平通过D15钳位，并通过限流电阻R46拉低TL431的1脚电位，以使输出降底20％。同时开启U7，U7亦为555定时器，定时时间为1秒，U7的3脚输出高电平，控制其同时开始计时，Q3导通放电。当计时结束时，U7的3脚输出低电平，Q3截止放电，依次循环。当充电电流Io下降到一定程度时，即IoR3<U5B的6脚电压时，间歇电路停止工作。截止间歇脉冲电流的大小由R44和R45决定。

3．5 散热电路的设计
    散热电路由7812、风扇电机、集成运放LM393等器件组成，其电路如图6所示，当第三阶段工作时，散热电路停止工作，涓充充电电流设计为500mA，当充电电流下降到500ms时，将开启涓流充电电路，即U5B的5脚电压低于6脚电压时，7脚输出高电平，U5A的1脚输出低电平。嵌位二极管D11钳位TL431的1脚电压，使输出下降到41．3V并进行涓流充电，LED绿灯亮，散热电路停止工作，即风扇电路停止工作。

4 结束语
    本充电器由间歇式充电、脉冲充电、三阶段充电等三种充电方法的优点合成设计。三段充电可自动完成切换，并具有充电快，充电满，充电对电池损耗小，充电时可对电池进行修复等优点。同时，间歇式脉冲三阶段充电器排除了其它充电器的大电流充电使蓄电池硫化问题以及大电流对蓄电池充电的发热问题，同时还可解决电池充不足，电池过充等问题。总之，间歇式脉冲三阶段充电器是充电器的又一大创新和改革。