UC3909運用與計算

1、閥控鉛酸電池開關(guān)型充電控制器uc3909及其應(yīng)用曾李電子設(shè)計室李益宏曾小林摘要：uc3909閥控鉛酸電池開關(guān)型充電控制器主要用于鉛酸電池快速充電器。 在通信、電力、交通和ups中，閥控鉛酸電池的容量很大，uc3909在uc3906的基 礎(chǔ)上,增加了pwm控制器，因此可以很方便地制成開關(guān)型充電器。木文詳細(xì)介紹了 uc3909的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部電路的設(shè)計方法，還給出了一套軟件用以輔助設(shè)計。關(guān)鍵詞：動力電池開關(guān)型控制器充電管理分段充電設(shè)計軟件1引言在2006年10月，應(yīng)合作公司耍求研發(fā)一款大功率動力電池充電器。在多方面 的權(quán)衡z后，在不使用mcu （單片機(jī)）等的情況下，于是采用uc3909充電控制芯

2、片研發(fā)研發(fā)此款產(chǎn)品，由于此芯片的特殊性，加上同事們希望我能作深入解剖和 分析，以消化吸收其先進(jìn)技術(shù)的情況下。故寫下此文章。2芯片概述利用uc3909充電控制器，可以組成開關(guān)型鉛酸電池快速充電器。該芯片中的平均電流型pwm控制屯路，可產(chǎn)生充電狀態(tài)邏輯電平。充電狀態(tài)邏輯電平根據(jù)充電狀態(tài)控制充電器的輸出電壓和電流。該芯片中的欠壓封鎖電路，保證加入足夠的電源電壓。此外該芯片中還含有差動電流取樣放大器、精度為1 %的基準(zhǔn)電壓，-3. 9mv/ °c熱敏電阻線性化電路、電壓和電流誤差放人器、pwm振蕩器、pwm比較器、pwm鎖存器、充電狀態(tài)譯碼器和一個100ma的集電極開路輸出驅(qū)動器。芯片封裝見

3、圖1所示 內(nèi)部框圖如圖2所示。該芯片的極限參數(shù)如下:dil-20, (top view) j or n, dw packagesrthmvloqica電源電壓vcc :40v ;b out、stato、stat1 腳電壓：40v ;c輸出灌電流:0. 1a ;d cs +和cs -腳電壓：04vvcc ;gndvccout5tat13tatqo8ch8e7e其它腳電壓：039v ;statlvf存儲溫度：-65150 °c;g 結(jié)溫：-55150 °c;h焊接溫度（焊接時間10s） :300 °c。ovctapchgenb1015,080 wcao 亙ca77 v

4、aolcc-2& plcc-28 (top view) l, q packagesrthmvlooicncgnd17pqndh6vcch7 out-(a 3tath« 8tat0 ：10statlvovctapchoenb圖1 uc3909引腳排列軒-軒-ca"圖2 uc3909內(nèi)部電路3.芯片管腳功能描述uc3909管腳排列如圖1所示，齊管腳功能如下：1腳(rthm):該腳與接地腳z間應(yīng)接入檢測電池溫度的10kq熱敏電阻。在整個 工作溫度范i韋i內(nèi)，熱敏電阻的阻值按指數(shù)規(guī)律變化。為了正確取 樣電池溫度，熱敏電阻阻值的變化將使內(nèi)部2.3v基準(zhǔn)電壓按3 9mv/ &#

5、176;c變化。2腳(vlo gic):精密基準(zhǔn)電壓，具值為5v ±1 %。該腳與接地腳之間應(yīng)接入 0. 1卩f電容。3腳(gnd):接地腳，該腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和所有門限電壓的基準(zhǔn)點。集屯極開路 輸出晶體管的發(fā)射極接到該腳。4腳(vcc):該芯片的屯源電壓輸入腳。芯片工作電壓范圍為7.540v o該腳 與3腳之間應(yīng)接入1 p f旁路電容。5腳(out): pwm驅(qū)動器輸出腳。集電極開路輸出晶體管的灌電流為100ma。 6腳(stat1):晶體管開路集電極輸出端，它是充電狀態(tài)的第二譯碼位。充電狀態(tài) 與stato st ati的關(guān)系如表1所列。充電狀態(tài)statostat1涓流充電00大電

6、流充電01浮充充電11過充電10表1 充電狀態(tài)譯碼表7 w(stato):晶體管開路集電極輸出端。對于邏輯電平0來說，該腳輸岀電壓 為0. 27v ,該輸出端是充電狀態(tài)的第一譯碼位。8 w(statlv):充電器在浮充狀態(tài)下，該位為高電平。9腳(ovctap):過充電電流檢測比較器輸入腳。在過充電狀態(tài)卜；當(dāng)輸出電流 逐漸減小到 浮充門限值時，該比較器輸出控制信號。10腳(chgenb) :%電器起動比較器輸入端。當(dāng)電池電壓較低時，該比較器使充 電器進(jìn)入涓流充電狀態(tài),電壓誤差放大器輸出高阻抗,10卩a 固定電流流入ca -腳，以設(shè)定涓流充電電流。11腳(vao):電壓誤差放大器輸出端。該放大器輸

7、出電壓箝位在5v o12腳(va-):電壓謀差放大器的反相輸入端。13腳(ca-):電流誤差放大器反相輸入端。14腳(cao):電流誤差放大器輸出端。在芯片內(nèi)部，該腳電壓箝位在4v,在芯片內(nèi)部該腳與pwm比較器反和輸入端和連。15 w(cso):電流取樣放大器的輸出端，該腳輸出電壓在內(nèi)部被箝拉在5.7v o 16、17腳(cs+和cs)：電流取樣放大器的的反相和同相輸入端。電流取樣放 大器的同定增益為5。18腳(rset):該腳與接地腳之間應(yīng)接入一只電阻，以便設(shè)置振蕩器的充電電流 和振蕩器涓流控制電流。振蕩器充屯電流約為1. 75/ rs et , 振蕩器涓流控制電流約為0. 115/rs e

8、t o19腳(osc):振蕩器斜坡電壓控制腳，在該腳與3腳之間應(yīng)接入一只電容器 ct,振蕩器斜坡電壓應(yīng)在1.0v至ij3v之間變化,振蕩器振蕩頻 率可由下式計算：f = l / 1.2ctrs et20腳(r10):該腳與3腳之間應(yīng)接入一只10k q電阻，以便產(chǎn)生修正熱嫩電阻 溫度所需的電壓差。4. 開關(guān)型快速充電器原理與設(shè)計采用uc3909的鉛酸電池開關(guān)型快速充電器，實際電路如圖3所示。虛 線框圖內(nèi)為uc3909o該充電器輸入直流電壓范圍為1240v。uc3909采用具有平均電流限制的電壓控制回路，精確地控制鉛酸電池 的充電速率。雖然平均電流限制電路較復(fù)雜些，但是控制回路的設(shè)計比較簡單。4.

9、 1控制回路原理(1) 電流取樣放大器(cs)電流取樣放人器的固定增益為5 ,補(bǔ)償屯壓為2. 3v,它的作用是檢測 取樣電阻rs兩端的電壓。該電壓與電池充電屯流成正比。取樣電壓的正端接到 電流取樣放大器的反相輸入端，以保證極性正確的電壓加到pwm比較器。當(dāng)電 池沒有充電電流時，電流取樣放大器的輸出端(cso)電壓為2. 3v o電流取樣電 阻rs的阻值應(yīng)等于350mv除以最大允許充電電流。為了減小功耗,rs應(yīng)取較 小的阻值。最大充電電流ibulk由已知的電圧誤差放大器最高輸出電壓(voh = 5v)、取樣電阻rs兩端允許的最大壓降vrs和電阻rg1和rg2的阻值決定。 rg，/rg2= 5*v

10、rs / (vlogic-vca-) = 5wrs / 5 2.3 = 1. 8521 bul kr s 為了避免電流取樣放人器輸出飽和，必須限制電池取樣放人器輸出端(cso)電 壓的最人幅值。因此電流取樣電阻rs兩端最高壓降必須限制在2v以內(nèi)。無充 電電流時，電流取樣放大器輸出端電壓vcso = 2.3v;最大充電電流時，電流取樣 放大器輸出端最高電壓vmax(cso)= 2.3v-2. 0v = 0.3v(2) 電壓誤差放大黠(vea)電壓誤差放人器(vea)檢測電池屯壓，并把它與熱斂電阻引起的基準(zhǔn)電 壓2. 3v -3. 9mv/ °c進(jìn)行比較。電壓誤差放人器輸出電壓轉(zhuǎn)換為電流

11、控制信號, 與電流取樣放大器輸出信號相加。電壓誤差放大器(vea)最高輸出電壓限制在 5v ,這樣可限制最大負(fù)載電流。在涓流充電狀態(tài)下，充電開始時比較器使電壓誤 差放人器輸出開路(高阻抗輸出)ollw ,涓流偏置電流與電流誤差放人骼ca的 反相輸入端(ca -)的電流相加，設(shè)定最大涓流充電電流。在涓流充電狀態(tài)下，最大允許充電電流(itc)由下式?jīng)Q定：i tc = i trc k*r gl / 5*rs 式中it rck為流入電流誤差放人器反相輸出端ca的固定控制電流。當(dāng)rset 腳外接電阻為 11.5kq 時,it rck 為 iopa。(3) 電流誤差放大器(ca)電流取樣放大器(cs)與電

12、壓誤差放大器(vea)的輸岀信號通過電流 謀差放大器(ca)比較。電流謀差放大器(ca)的輸出信號改變pwm占空比,從而 調(diào)整平均充電屯流。接有積分補(bǔ)償時，電流誤差放人器(ca)具有非常高的電流增 益。為了提高放人器的穩(wěn)定性，電流誤差放人器(ca)的高頻增益必須按以卜原 則設(shè)計，即電流誤差放大器(ca)輸出信號下降斜率應(yīng)低于或等于pwm斜坡上 升斜率。4.2充電器設(shè)計選擇 rsi、rs2、rs3 和 rs4 基本計算公式如卜：voc = v refx (rsi + rs2 + rs3rs4)/ (rs3rsi)v t = v ref x (rsi + rs2 + rs3 rs4)/(rs2+r

13、s3 rs4)v f = vrefx (rsi+rs2 + rs3)/ rs 3r p = rs3 rs4 12v/12ah電池充電器計算實例12v鉛酸電池由六個單體電池組成,已知單體電池voc = 2. 5v , v t = 1. 7v , vf = 2.33v,因此該電池組的兒個基本電壓參數(shù)為：voc = 2. 5v x6= 15vvt= 1.7v x6= 10. 2vvf = 2. 33v x6= 14v為了使于計算，設(shè)rs 3與rs 4的并聯(lián)電阻值rf = 50k q ,將rf = 50k q代入 voc表達(dá)式中可得:由該式可得出：15v = 2. 3v x (rsi+ rs2+50k

14、q ) / 50kq由該式可得出：rs 1 + rs 2二276k q將已知數(shù)值代入vt表達(dá)式中,可得：10. 2v = 2. 3 x (276kq+50kq ) / (rs2 + 50kq )由該式可得出：rs2 = 237kq24kq因此，rsi=276kq 24kq =252kq 將已知數(shù)值代入vf表達(dá)式屮,可得： 14v = 2.3v x (276kq+rs3)/ rs3由該式可得出:rs3 = 54kq56kq已知：r|.二 50k q、rs 3 - 56k q 因此rs 4 二 466kq470kq(2)選擇喬和基本計算公式如下：i tc 二 t trc k*r/ 5*rs1 tr

15、c k = 0.115v / r sr g1 / r g2 二 1 852*1 bul kr s12v/ 10ah電池充電器設(shè)計實例已知rset腳外接電阻為11. 5k q ,取樣電阻rs 二 0. 1q ,根據(jù)i trck 二 0. 115v/ 0. 1q = 10ua假設(shè)允許的涓流充電電流i tc = 0. 004 * c二40ma ;快速充電電流hu, = c / 5 =2a o將已知數(shù)值代入itc表達(dá)式中，可得：0. 04a 二(10口 a*rq /( 0. 1q *5) 由此式可得出:rgi二2kq將已知數(shù)值代入下式：rg1 佩2 = 1. 852 *1 bul k *rs可以得出：

16、rg2 = 5. 4k q 5. 6k q(3)選擇rov cl和rov c2 基本計算公式為：rov cl = 1. 8518 *ioct *rs *roc2設(shè)計實例假定過充電終止電流為c/ 50二200ma ,rs= 0. 1 q可得出：rgi / rg2 = 0. 037若選擇r()vci = 5kq 貝ij:rov c2 = rov ci / 0. 037 二 135k130k q 5設(shè)計軟件應(yīng)用及調(diào)試注意事項。5. 1設(shè)計軟件應(yīng)用鑒于該芯片在設(shè)計方而的巧妙性，一環(huán)扣一環(huán)，特別是在設(shè)計涓流充電電流、 快速充電電流、分段式充電電壓控制、過充電終止電流等部分時，要經(jīng)過仔細(xì)計 算，且計算過程較為復(fù)雜，所涉及的量較多，易引起錯誤結(jié)果。特別設(shè)計了以下 軟件，以供大家在計算相關(guān)環(huán)路時使用。且在生產(chǎn)過程中如需改為對不同安時的