开关型免维护铅酸蓄电池智能充电器的设计

摘要： 设计了一种基于UC3906与UC3823的免维护铅酸蓄电池开关型双电平智能充电器， 这种充电器可保证蓄电池在很宽的温度范围内精确充电， 延长蓄电池的使用寿命； 可以消除充电过程中的极化现象， 提高充电效率。

在正常的使用条件下， 采用适当的浮充电压，免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达10年以上， 如果浮充电压偏差5%则使用寿命缩短1 /2.研究发现，在充电过程中蓄电池会产生极化电压， 使蓄电池端电压升高， 同时由于内部极化电阻随着充电时间的增加而增大， 反过来阻碍蓄电池的继续充电， 因此， 由极化电阻产生极化电压是影响充电效率的重要原因， 而采用开关充电方式可以有效地消除极化现象， 提高充电效率。

1 UC3906的结构及工作原理。

UC3906内部框图如图1所示，该芯片内含有独立的电压控制电路和限流放大器， 它可以控制芯片内的驱动器， 驱动器提供的输出电流达25 mA, 可直接驱动外部串联的调整管， 从而调整充电器的输出电压与电流。电压和电流检测比较器检测蓄电池的充电状态， 并控制状态逻辑电路的输入信号。

图1 UC3906内部结构框图

当蓄电池电压或电流过低时， 充电起动比较器控制充电器进入涓流充电状态， 当驱动器截止时，该比较器还能输出25 mA涓流充电电流。这样， 当蓄电池短路或反接时， 充电器只能以小电流充电，避免了因充电电流过大而损坏蓄电池。

蓄电池的电压与环境温度有关， 温度每升高1 ℃， 蓄电池单格电压下降4 mV, 也就是说蓄电池的浮充电压有负的温度系数- 4 mV/℃。普通充电器如果在25 ℃处于最佳工作状态， 在环境温度为0 ℃就会充电不足， 而在温度为45 ℃时可能因严重过充电而缩短蓄电池的使用寿命。而UC3906的最重要的特性是具有精确的基准电压， 其基准电压的大小随环境温度而变化， 且变化规律与铅酸蓄电池的温度特性一致。同时芯片只需1.7 mA的输入电流就可工作， 这样可以尽量减小芯片的功耗， 实现对环境温度的准确检测。在0~70 ℃温度范围内可以保证蓄电池既充足电又不会出现过充电现象， 完全满足蓄电池充电需要。

UC3906可构成双电平浮充充电器， 充电过程分为3个充电状态， 如图2所示： 大电流恒流充电状态， 高电压过充电状态和低电压恒压浮充状态。

图2 双电平浮充充电状态曲线

充电过程从大电流恒流充电状态开始， 在这种状态下充电器输出恒定的充电电流Imax, 同时充电器连续监控蓄电池组的两端电压， 当蓄电池的电压达到转换电压U12时， 其电量已恢复到放电容量的70%~90%, 充电器转入过充电状态。在此状态下， 充电器输出电压升高到Uoc; 由于充电器输出电压保持恒定不变， 所以充电电流连续下降， 当电流下降到Ioct时， 蓄电池的容量已达到额定容量的100% ,充电器输出电压下降到较低的浮充电压UF.

2 电路设计。

对于较大容量的铅酸蓄电池， 为了提高充电效率， 通常选用开关型充电器。设计的24V20Ah铅酸蓄电池开关型充电器实际电路见图3, 在该电路中，用两只专用集成电路UC3906与UC3823和一只通用运放即可完成全部控制功能。充电器主电路由功率MOSFET （ IRF9503） 、续流二极管（ UES2402） 和滤波电感（ 130 μH） 等元件组成。

图3 24 V 20 Ah铅酸蓄电池开关型双电平浮充智能充电器电路图

2.1 电压电流控制回路与电池充电逻辑状态电路

对小容量蓄电池充电器可采用线性串联调整管来控制充电电流， 而对于开关型充电器， UC3906铅酸蓄电池充电控制集成电路具有充电电压控制和充电逻辑状态控制的功能， 并能提供充电的温度补偿控制功能。

蓄电池两端的分压电阻监控蓄电池电压， 分压电阻的阻值确定浮充电压、过充电压和涓流充电门限电压。差动电流取样比较器产生过充电状态的转换信号， 电压放大器放大补偿电压回路的信号。

在温度为25 ℃， Uref值为2.3 V时：

过充电压：

浮充电压：

过充转换电压：U12=0.95Uoc=28.03 V

浮充转换电压：U13=0.9UF=24.8 V

最大充电电流：

过充终止电流：

2.2 开关型电流源控制回路

输入电压（ 35 /50 V） 经10 kΩ电阻与1N4744稳压管组成的稳压电路稳压后， 又经TIP31晶体管射随器输出+14 V电压， 作为控制电路的电源电压。

PWM频率设定为100 kHz, 以减小输出滤波器的体积， 蓄电池充电电流从0.1 Ω/5 W电阻上取样， 差动放大增益为5。

开关型电流源控制回路的性能对充电状态控制转换有很大的影响， 在大电流快速充电状态下， 充电器要能提供最大的充电电流； 在浮充状态下， 充电器输出电流很小。因此， 充电器电流控制回路的增益变化范围应大于60 db, 采用普通的峰值电流反馈很难满足要求， 24 V20 Ah铅酸蓄电池开关型充电器采用平均电流反馈回路见图4.它比峰值电流反馈控制相对复杂， 利用平均电流反馈控制回路可以使充电器电路在以下几方面有所改进： ①由于误差放大在较低工作频率范围内的高增益， 从而使闭环电流的控制精度得到了提高； ②在大电流充电的工作状态下， 当电感电流不连续时， 可以改善大电流输出级的非线性； ③可以提高充电器电路在很小的脉冲占空比工作条件下的抗开关峰值噪声的能力。

图4 平均电流反馈电路图

电流控制回路选用UC3823PWM控制器， 因为它在非常小的脉冲占空比到100%的脉冲占空比的变化范围内能够线性工作； UC3823PWM控制器的带宽和电路结构完全满足平均电流控制回路的要求； UC3823PWM控制器输出驱动级与开关电流源输出功率级连接简单。运放当作差动放大器使用，用以检测开关电流源的输出电流， 并把该电流信号变换为适当的电压信号。

2.3 功率输出级

功率输出级采用降压式开关电流源。为了简化UC3823的高端驱动电路， 输出开关管采用直接耦合P沟道MOSFET.流入MOSFET的开关电流提供栅极电荷， 使MOSFET导通， 接在栅极与源极的稳压管将栅极电压限制在12 V.PNP管的作用是释放栅极电荷， 从而使MOSFET加速关断。在续流二极管两端加入RC缓冲器， 可以抑制电路寄生参数引起的高频自激振荡。在输出电路中加入整流管， 可以避免在电源中断后蓄电池组对充电器放电。

3 结论

1） UC3906内部基准电压的温度系数与铅酸蓄电池的温度系数相同， 从而保证了蓄电池在较宽的温度范围内实现蓄电池的精确快速充电， 且不会过充影响蓄电池寿命。

2） UC3823PWM控制器在非常小的脉冲占空比到100%的脉冲占空比的变化范围内能够线性工作；UC3823PWM控制器的带宽和电路结构完全满足平均电流控制回路的要求。