電動車鋰電池充電器畢業(yè)設計

1、摘 要河南工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 題 目：電動車鋰電池充電器電路設計 姓 名： 王東陽 學 院：河南工業(yè)職業(yè)技術學院 專 業(yè)： 電氣自動化 班 級： 電氣0906 學 號： 0401090632 指導教師： 胡應占 年 月 日摘 要電動自行車是綠色節(jié)能的交通工具，在節(jié)能環(huán)保的發(fā)展進程中電動自行車滿足了消費者出行半徑增大的需求。另外，電動車電瓶采用鋰電池越來越多。利用開關電源實現(xiàn)對鋰電池高效率充電是目前的發(fā)展趨勢。本設計通過認真調查鋰電池充電注意事項，電動車用鋰電池充電過程和充電曲線，綜合運用了反激式開關電源技術，對電動車用鋰電池充電器做了具體設計。電路主要包括整流濾波電路、功率變換電路、穩(wěn)壓

2、電路、恒流電路，充電指示電路，實現(xiàn)對鋰電池分四個階段高效率安全充電。充電過程分微弱電流調節(jié)充電階段，恒流充電階段，恒壓充電。主電源部分采用線性光耦改變電流型PWM控制集成芯片UC3842中誤差放大器的輸入誤差電壓，實現(xiàn)穩(wěn)壓充電。恒流電路實現(xiàn)對鋰電池恒流充電。電路設計滿足客戶要求，成本低廉。關鍵詞：反激式開關電源；鋰電池充電器；UC3842；恒流充電43目 錄 目 錄摘 要I1 緒論11.1 電動車的發(fā)展概況11.2 鋰電池簡述11.3開關電源的產生與發(fā)展21.4 設計目的和要求31.5 主要設計內容32 開關電源概述42.1 隔離式高頻開關電源42.2 本設計所用術語52.3 開關電源與線性電

3、源52.4 開關電源能量損耗和壽命62.5 開關電源分類73 反激式開關電源83.1 反激式開關電源原理83.2 主要器件簡介113.2.1 UC3842芯片簡介113.2.2 TL431簡介153.2.3 PC817光耦簡介163.3 UC3842常用的電壓反饋電路163.3.1 輸出電壓直接分壓作為誤差放大器的輸入163.3.2 輔助電源輸出電壓分壓作為誤差放大器的輸入183.3.3 采用線性光耦改變誤差放大器的輸入誤差電壓194 總體設計214.1電路組成214.2系統(tǒng)實現(xiàn)功能225 主電源部分設計235.1 輸入電路235.1.1 輸入浪涌電流保護235.1.2 輸入尖峰電壓保護245

4、.2 輸入濾波電路255.2.1 差模干擾和共模干擾概念255.2.2 濾除干擾信號255.3 變壓器設計265.3.1變壓器功能265.3.2磁芯飽和問題265.3.3 變壓器設計步驟285.4 RCD箝位電路設計325.4.1 RCD箝位電路意義325.4.2 RCD箝位電路設計步驟335.5開關管選擇345.6輸出濾波器346控制電路設計356.1低電流調節(jié)控制電路356.2恒流電路366.3充電指示電路37總結38參考文獻40附錄1 本設計電路原理圖41附錄2 本設計PCB圖42河南工業(yè)職業(yè)技術學院1 緒論1.1 電動車的發(fā)展概況電動自行車是綠色節(jié)能的交通工具，在城市化發(fā)展的進程中電動

5、自行車滿足了消費者出行半徑增大的需求。經過15年的快速發(fā)展，電動自行車產業(yè)已經進入了成熟期，產品的質量不斷提高，技術創(chuàng)新成果普遍應用。中國已成為全球電動自行車的制造、消費大國，目前中國市場年產銷量超過2000萬輛，整個產業(yè)鏈的經濟規(guī)模達到1000億以上，從業(yè)人員近500萬人。整車企業(yè)1000余家、6000余家相關聯(lián)配套企業(yè)、100000家經銷商、市場保有量達 1.2億輛，電動自行車成為中國一個重要的產業(yè)，也是中國老百姓主要的交通工具。目前平均每四戶居民家庭中就有一輛電動自行車，電動自行車已經成為城鄉(xiāng)人民生活中的一種重要的消費品。2009年以來，面對世界金融危機的挑戰(zhàn)，電動自行車產業(yè)依然保持了平

6、穩(wěn)發(fā)展。中國自行車協(xié)會助力車專業(yè)委員會的統(tǒng)計，50家主要生產電動自行車的企業(yè)，1-8月份累計總產量為656萬輛，同比增長13%。另外，根據(jù)國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計，1-8月份行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)電動自行車產量累計生產為445.5萬輛，同比增長8.7%。兩個不同口徑的統(tǒng)計數(shù)字均說明，電動車的發(fā)展前景可期。1.2 鋰電池簡述鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生，使用以下反應：Li+MnO2=LiMnO2該反應為氧化還原反應，放電。由于鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高，所以鋰電池長期沒有得到應用。現(xiàn)在鋰

7、電池已經成為了主流。 隨著數(shù)碼產品如手機、筆記本電腦等產品的廣泛使用，鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類產品中得到廣泛應用，并在近年逐步向其他產品應用領域發(fā)展。1998年，天津電源研究所開始商業(yè)化生產鋰離子電池。習慣上人們把鋰離子電池也稱為鋰電池，現(xiàn)在鋰離子電池已經成為了主流。鋰離子電池主要優(yōu)點表現(xiàn)在： 比能量高。具有高儲存能量密度，目前已達到460-600Wh/kg，是鉛酸電池的約6-7倍； 使用壽命長，使用壽命可達到6年以上，磷酸亞鐵鋰為正極的電池用1CDOD充放，有可以使用10,000次的記錄； 額定電壓高（單體工作電壓為3.7V或3.2V），約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓，便于組成電

8、池電源組； 具備高功率承受力，其中電動汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到15-30C充放電的能力，便于高強度的啟動加速； 自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一；重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產品的1/5； 高低溫適應型強，可以在-20-60的環(huán)境下使用，經過工藝上的處理，可以在-45環(huán)境下使用； 綠色環(huán)保，不論生產、使用和報廢，都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質； 生產基本不消耗水，對缺水的我國來說，十分有利。 鋰電池的缺點： 鋰原電池均存在安全性差，有發(fā)生爆炸的危險； 鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，安全性較差； 鋰離子電池均需保護線路，防止電池被過充過放電

9、； 生產要求條件高，成本高。鋰電池廣泛應用于水力、火力、風力和太陽能電站等儲能電源系統(tǒng)，郵電通訊的不間斷電源，以及電動工具、電動自行車、電動摩托車、電動汽車、軍事裝備、航空航天等多個領域。隨著能源的緊缺和世界的環(huán)保方面的壓力，鋰電現(xiàn)在被廣泛應用于電動車行業(yè)，特別是磷酸鐵鋰材料電池的出現(xiàn)，更推動了鋰電池產業(yè)的發(fā)展和應用。1.3開關電源的產生與發(fā)展隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，特別是微處理器和半導體存儲器的開發(fā)利用，孕育了電子系統(tǒng)的新一代產品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調節(jié)穩(wěn)壓電源已經過時。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開關電源。隔離式開關電源的核心是一種高

10、頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產生一路或多路經調整的穩(wěn)定直流電壓。早在70年代，隨著電子技術的不斷發(fā)展，集成化的開關電源就已被廣泛地應用于電子計算機、彩色電視機、衛(wèi)星通信設備、程控交換機、精密儀表等電子設備。這是由于開關電源能夠滿足現(xiàn)代電子設備對多種電壓和電流的需求。隨著半導體技術的高度發(fā)展，高反壓快速開關晶體管使無工頻變壓器的開關電源迅速實用化。而半導體集成電路技術的迅速發(fā)展又為開關電源控制電路的集成化奠定了基礎，適應各類開關電源控制要求的集成開關穩(wěn)壓器應運而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高，外接元件越來越少，使得開關電源的設計、生產和調整工作日益簡化，成本也不斷下降。目前己形

11、成了各類功能完善的集成開關穩(wěn)壓器系列。近年來高反壓MOS大功率管的迅速發(fā)展，又將開關電源的工作頻率從20kHz提高到150-200kHz，其結果是使整個開關電源的體積更小，重量更輕，效率更高。開關電源的性能價格比達到了前所未有的水平，使它在與線性電源的競爭中具有先導之勢。當然開關電源能被工業(yè)所接受，首先是它在體積、重量和效率上的優(yōu)勢。在70年代后期，功率在100w以上的開關電源是有競爭力的。到1980年，功率在50w以上就具有競爭力了。隨著開關電源性能的改善，到80年代后期，電子設備的消耗功率在20W以上，就要考慮使用開關電源了。過去，開關電源在小功率范圍內成本較高，但進入90年代后，其成本下

12、降非常顯著當然這包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促進開關電源發(fā)展的因素之一。1.4 設計目的和要求作為企業(yè)，為了贏得電動車電器配套市場，組織設計電動車用鋰電池充電器。本充電器設計要實現(xiàn)對電動車用鋰電池高性能地充電。通過認真調查鋰電池充電注意事項，電動車用鋰電池充電過程和各個參數(shù)，制作出電動車鋰電池充電器。1.5 主要設計內容根據(jù)調研電動車用鋰電池充電曲線，設計本充電器電路實現(xiàn)對鋰電池分四個階段充電，實現(xiàn)充電器對電池高效率安全充電。充電過程分微弱電流調節(jié)充電階段，恒流充電階段一，恒流充電階段二，恒壓充電。本充電器電路采用反激式開關電源技術通過電路控制實

13、現(xiàn)了上述過程。當拿一個很虧的鋰電池接上電路后就要經歷這四個階段。為了保護過分放電的電池首先是微弱電流充電，沖到一定程度后以小電流恒流充電，然后以大電流恒流充電，最后恒壓充電到截止。本設計詳細描述如下：當接上的鋰電池電壓低于3.3V時，首先充電器要以微弱的電流充電到3.3V。達到3.3V后開始以400mA的小電流充電到5V。然后就以4.12A的電流恒流充電。當鋰電池兩端電壓的升高逐漸接近開關電源的輸出電壓，恒流電路被破壞，電壓反饋穩(wěn)壓階段開始。2 開關電源概述 2.1 隔離式高頻開關電源隔離式開關電源的變換器具有多種形式。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等等。在設計電源時，

14、設計者采取那種變換器電路形式，主要根據(jù)成本、要達到的性能指標等因素來決定。各種形式的電源電路的基本功能塊是相同的，只是完成這些功能的技術手段有所不同。隔離式高頻開關電源電路的共同特點就是具有高頻變壓器，直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組約脈沖電壓整流濾波而來。開關電源的基本方框如圖2-1所示。交流輸入線路電壓來自電網(wǎng)，首先要經過整流、濾波電路變成含有一定脈動電壓成分的直流電壓，然后進入高頻變換部分。高頻變換部分的核心是有一個高頻功率開關元件，比如開關晶體管、場效應管等元件，高頻變換部分產生高頻高壓方波，所得到的高壓方波送給高頻隔離降壓變壓器的初級，在變壓器的次級感應出的電壓被整流、濾波后就產生了低壓直

15、流。為了調節(jié)輸出電壓，使得在輸入交流和輸出負載發(fā)生變化時，輸出電壓能保持穩(wěn)定，采用脈沖寬度調制電路和脈沖頻率調制電路，通過對輸出電壓采樣，并把采樣的結果反饋給控制電路，控制電路把它與基準電壓進行比較，根據(jù)比較結果來控制高頻功率開關元件的開關時間比例(占空比)，達到調整輸出電壓的目的。在方波的上升沿和下降沿。有很多高次諧波，如果這些高次諧波反饋到輸入交流線，就會對其它電子設備產生干擾。因此，在交流輸入端，必須要設置濾波器，把高頻干擾減少到可接收的范圍。 此外，為了使整個電路安全可靠地工作，還要設計輔助電路，主要包括過壓、過流保護電路等。輸入濾波整流濾波高頻變換開關元件脈沖變壓器輸出濾波PWM控制

16、輔助電路圖2-l 隔離式開關電源方框圖輸入輸出2.2 本設計所用術語下面列出一些常用的開關電源術語，并給出解釋，以備參考。效率：電源的輸出功率與輸入功率的百分比。其測量條件是滿負載，輸入交流電壓為標準值。ESR：等效串聯(lián)電阻。它表示電解電容呈現(xiàn)的電阻值的總合。一般情況下，ESR值越低的電容，性能越好。隔離式開關電源：一般指高頻開關電源。它從輸入的交流電源直接進行整流和濾波，不使用低頻隔離變壓器。軟啟動：在系統(tǒng)啟動時，一種驅動波形從零到正常占空比的方法。占空比：在高頻開關電源中，開關元件的導通時間和變換器的工作周期之比。低電流調節(jié)充電：如果鋰電池電壓低于設定的電壓值,充電周期首先進行低電流充電,

17、當電池電壓低于一定值時就要進入低電流充電階段。恒流充電：只要鋰電池電壓高于設定電壓值,充電周期進入恒流充電,以一定的電流給電池充電。恒壓充電：當電池在充電過程中,電池電壓達到設定值時,充電周期進入恒壓充電。在恒壓充電中,電壓不變,電流由最大值慢慢減少,當電流減少到設定值時,電池即充滿。2.3 開關電源與線性電源線性電源穩(wěn)壓器的調整管工作在放大狀態(tài)，因而發(fā)熱量大，效率低（35%左右），需要加體積龐大的散熱片，而且還需要同樣也是大體積的工頻變壓器，當要制作多組電壓輸出時變壓器會更龐大。開關電源的調整管工作在飽和截至狀態(tài)，因而發(fā)熱量小，效率高（75以上）而且省掉了大體積的變壓器。但開關電源輸出的直流

18、上面會疊加較大的紋波，在輸出端并接穩(wěn)壓二極管可以改善，另外由于開關管工作是會產生很大的尖峰脈沖干擾，也需要在電路中串連磁珠加以改善。相對而言線性電源就沒有以上缺陷，它的紋波可以做到5mV以下。對于電源效率和安裝體積有要求的地方用開關電源為佳，對于電磁干擾和電源純凈性有要求的地方（例如電容漏電檢測）多選用線性電源。另外開關電源中用到的高頻變壓器繞制起來比較麻煩。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點日益向低

19、輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義2。開關電源具備三個條件：開關：電力電子器件工作在開關狀態(tài)而不是線性狀態(tài)。高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻。直流：開關電源輸出的是直流而不是交流。2.4 開關電源能量損耗和壽命降低損耗，遏制溫升，提高效率，延長壽命開關電源內部的損耗主要分四個方面：開關損耗 如功率開關，驅動；導通損耗 如輸出整流器，電解電容

20、中電阻損耗；附加損耗 如控制IC，反饋電路，啟動電路，驅動電路；電阻損耗 如預加負載等；在反激式開關電源中，功率開關和驅動以及輸出整流部分占損耗的90多，磁性元件占5，其它占5； 損耗直接影響效率，更影響電源的穩(wěn)定性和工作壽命。損耗都以發(fā)熱而表現(xiàn)出來，晶體管和電容和磁性元件都對溫度很敏感。下面列舉的是溫度對器件的影響：溫度每升高10，電解電容的壽命就會減半；在高溫和反向電壓接近額定值時，肖特基二極管的漏電很嚴重，就像陰陽極通路一樣；通用磁性材料，從25到100飽和磁感應強度下降30左右；在這里，磁性材料的損耗雖然說占比例很小但是它對整個開關電源的影響非常大。比如在正常工作時，設計的最大磁通密度

21、偏大，由于溫升的原因將使飽和磁感應強度下降，再加上反饋回路的延遲效應而使導通時間加長，極易使磁芯飽和，瞬間開關管損壞。在此設計時，最好保證銅耗接近于磁耗，初級繞組的銅耗接近于次級繞組的銅耗以達到最優(yōu)化的設計防止磁芯過渡溫升；MOSFET管，每升高25，柵極閥值電壓下降5。MOSFET管的最大節(jié)點溫度時150，節(jié)點溫度的理想值為105，最高不要超過125。Rds隨溫度的升高而增大。 所以，在設計時盡可能降低元件本身損耗而造成的溫升，也要注意遠離熱源，不因外界原因而造成溫升，更要優(yōu)化設計減小損耗，提高效率，延長元器件及整個電源的工作壽命。2.5 開關電源分類按開關管與負載的連接方式分類，開關電源可

22、分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和變壓器耦合型3種類型。按開關器件的激勵方式，可分為自激式和他激式開關電源。按調制方式分可分脈沖寬度調制式和脈沖頻率調制式開關穩(wěn)壓電源和PWM和PFM的混合方式。按開關管的連接和工作方式分類，開關穩(wěn)壓電源可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式4種。3 反激式開關電源3.1 反激式開關電源原理單端反激式變換器又稱電感儲能式變換器，工作原理如圖3-l所示，當開關管S1被PWM脈沖激勵而導通時，次級整流二極管D1截止，輸出電容C給負載供電。直流輸入電壓施加到高頻變壓器T的原邊繞組上，此時NP相當于一個純電感，流過NP的電流線性上升，電源能量以磁能形式存儲在電感中：當開關管S1截止時，

23、由于電感電流不能突變，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組上的電壓極性顛倒使D1導通，原邊儲存的能量傳送到副邊，提供負載電流，同時給輸出電容充電。單端反激式開關電源以主開關管的周期性導通和關斷為主要特征。開關管導通時，變壓器一次側線圈內不斷儲存能量;而開關管關斷時，變壓器將一次側線圈內儲存的電感能量通過整流二極管給負載供電，直到下一個脈沖到來，開始新的周期3。開關電源中的變壓器起著非常重要的作用：一是通過它實現(xiàn)電場-磁場-電場能量的轉換，為負載提供穩(wěn)定的直流電壓;二是可以實現(xiàn)變壓器功能，通過脈沖變壓器的初級繞組和多個次級繞組可以輸出多路不同的直流電壓值，為不同的電路單元提供直流電量;三是可以實現(xiàn)

24、傳統(tǒng)電源變壓器的電隔離作用，將熱地與冷地隔離，避免觸電事故，保證用戶端的安全。VOUTVdc Is次級電流波形Ip初級電流波形TonToff圖3-1 反激式開關電源原理圖在開關管S1關斷的Toff期間，變壓器鐵心中的磁通主要由變壓器次級線圈回路中的電流來決定，這就相當于流過變壓器次級線圈中的電流所產生的磁場可以使變壓器的鐵心退磁，使變壓器鐵心中的磁場強度恢復到初始狀態(tài)。由于控制開關突然關斷，流過變壓器初級線圈的勵磁電流突然為0，此時，流過變壓器次級線圈中的電流就正好接替原來變壓器初級線圈中勵磁電流的作用，使變壓器鐵心中的磁感應強度由最大值Bm返回到剩磁所對應的磁感應強度Br位置，即流過次級繞組

25、電流是由最大值逐步變化到0的。由此可知，反激式變壓器開關電源在輸出功率的同時，流過次級線圈回路中的電流也在對變壓器鐵心進行退磁。SBmSBrt/st/st/sUo/VUp-UpI1I2TonTonTonToffToffIoi/A圖3-2 臨界連續(xù)電流狀態(tài)時波形反激式變壓器開關電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，次級整流輸入電壓Uo、負載電流Io，變壓器鐵芯的磁通，以及變壓器初、次級電流等波形圖如圖3-2所示。變壓器次級線圈輸出電壓Uo是一個帶正負極性的脈沖波形，一般負半周是一個很規(guī)整的矩形波；而正半周，由于輸出脈沖被整流二極管限幅，當開關電源工作于連續(xù)電流或臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，輸出波形基本也是矩形波

26、。因此，整流二極管的輸入電壓Uo的正半周幅度與儲能濾波電容的兩端電壓基本相同。因此，整流二極管的輸入電壓Uo的幅值Up與整流輸出電壓基本相等。在控制開關接通期間，變壓器鐵芯被磁化；在控制開關關斷期間，變壓器鐵芯被退磁。因此，在Ton期間，變壓器鐵芯中的磁通量是由剩磁SBr向最大磁通SBm方向變化；而在Toff期間，變壓器鐵芯中的磁通量是由最大磁通SBm向剩磁SBr方向變化。i波形是反激式變壓器開關電源工作于臨界電流狀態(tài)時，變壓器初、次級線圈的電流波形。其中，i1為流過變壓器初級線圈中的電流，i2為流過變壓器次級線圈中的電流（虛線所示），Io是流過負載的電流（虛線所示）。在控制開關接通期間，變壓

27、器鐵芯被初級線圈電流磁化；在控制開關關斷期間，變壓器鐵芯被被次級線圈電流退磁，并向負載輸出電流。還可以看出，流過變壓器初、次級線圈中的電流是可以突跳的。在控制開關關斷的一瞬間，流過變壓器初級線圈的電流由最大值跳變到0，而在同一時刻，流過變壓器次級線圈的電流由0跳變到最大值。并且，變壓器初級線圈電流的最大值正好等于變壓器次級線圈電流最大值的n倍（n為變壓器次級電壓與初級電壓比）。3.2 主要器件簡介3.2.1 UC3842芯片簡介UC3842 是開關電源用電流控制方式的脈寬調制集成電路。與電壓控制方式相比在負載響應和線性調整度等方面有很多優(yōu)越之處。該電路主要特點有：內含欠電壓鎖定電路低起動電流（

28、典型值為0.12mA）穩(wěn)定的內部基準電壓源大電流推挽輸出（驅動電流達1A）工作頻率可到500kHz自動負反饋補償電路雙脈沖抑制較強的負載響應特性UC3842 內部結構如圖3-3所示，UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調制方式，共有8 個引腳，各腳功能如下：1腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；2腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準電壓進行比較，產生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；3腳為電流檢測輸入端， 當檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；4腳為定時端，內部振蕩

29、器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=1.8/(RT×CT)；5腳為公共地端；6腳為推挽輸出端，內部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns 驅動能力為±1A ；7腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；8腳為5V 基準電壓輸出端，有50mA 的負載能力。圖3-3 UC3842內部結構UC3842是專門設汁用于出線和直流直流變換器應用的高性能、固定頻率、電流模式控制器，為設計者提供使用最少外部元件的高性能價格比的解決方案。代表性的方框圖如圖3-4示。圖3-4 UC3842代表性方框圖振蕩器頻率由定時元件RT和C

30、T選擇值決定。電容CT由5.0V的參考電壓通過電阻RT充電，充至約2.8V,再由一個內部的電流宿放電至1.2V。在CT放電期間，振蕩器產生一個內部消隱脈沖保持“或非”門的中間輸入為高電子，這導致輸出為低狀態(tài)，從而產生丁一個數(shù)量可控的輸出靜區(qū)時間。圖l顯示R，與振蕩器頻率關系曲線，圖2顯示輸出靜區(qū)時間與頻率關系曲線它們都是在給定的CT值時得到的。注意盡管許多的Rt和Ct值都可以產生相同的振蕩器頻率，但只有一種組合可以得到在給定頻率下的特定輸出靜區(qū)時間。振蕩器門限是溫度補償?shù)模烹婋娏髟赥=2 5叫被微調并確保在±1 0之內，這些內部電路的優(yōu)點使振蕩器頻率及晨大輸出占空比的變化最小。&#

31、160;不要將UC3842的重要元件的參數(shù)選得接近分布參數(shù)；具體來說，電阻不要太大，電容器和電感器不要太小。決定振蕩頻率的RC，當把R選擇太大，C太小時，就易使穩(wěn)定性特別差；如電容C小得接近分布參數(shù)，也就是說取掉該電容由線路板及其它元件間的分布參數(shù)而形成的容值都和所選的電容容值差不多；或者所選電阻太大以至于線路板上的漏電流所等效的阻值都和所選的電阻大小差不多；這將造成工作不穩(wěn)定，如溫度或濕度變化時其分布參數(shù)也跟著變化，嚴重影響振蕩的穩(wěn)定性。R一般不要大于1M歐，C一般不要小于22PF。誤差放大器提供一個有可訪問反相輸入和輸出的全補償誤差放大器。此放大器從有90dB的典刮自流電流增益和只有57度

32、相位余量的1OMHz的增益為1帶寬。同相輸入在內部偏置于2.5V而不經管腳引出。典刑情況下變換揣輸出電壓通過一個電阻分壓器分壓，并由反向輸入監(jiān)視。最大輸入偏置電流為2.0uA，它將引起輸出電壓誤差，后者等于輸入偏置電流和等效輸入分壓器源電阻的乘積。誤差放大器輸出(管腳1)用于外部回路補償。輸出電壓因兩個二極管壓降而失調(1.4V)并在連接至電流取樣比較器的反相輸入之前被三分，這將在管腳l處于其最低狀態(tài)時(Vol)，保證在輸出(管腳6)不出現(xiàn)驅動脈沖。這發(fā)生在電源正在工作并且負載被取消時，或者在軟啟動過程的開始。最小誤差放大器反饋電阻受限于放大器的拉電流(O5mA)和到達比較器的1.0V箝位電子

33、所需的輸出電壓(VoH)： (3-1)UC3842作為電流模式控制器工作，輸出開關導通山振蕩器起始，當峰值電感電流到達誤差放大器輸出補償(管腳1)建立的門限電平時中止。這樣在逐周基礎上誤差信號控制峰值電感電流。所用的電流取樣比較器脈寬調制鎖存配置確保在任何給定的振蕩器周期內，僅有一個單脈沖出現(xiàn)在輸出端。電感電流通過插入一個與輸出開關Q1的源極串聯(lián)的以地為參考的取樣電阻Rs轉換成電壓。此電壓由電流取洋輸入(管腳3)監(jiān)視并與來自誤差放大器的輸出電平相比較。在正常的工作條件下，峰值電感電流由管腳1上的電壓控制，其中： (3-2)當電源輸出過載或者如果輸出電壓取樣丟失時，異常的工作條件將出現(xiàn)。在這些條

34、件下，電流取樣比較器門限將被內部箝位至10V。因此最大峰值開關電流為： (3-3)通常正電流波形的前沿可以觀察到一個窄尖脈沖，當輸出負載較輕時，它可能會引起電源不穩(wěn)定。這個尖脈沖的產生是由于電源變壓器匝間電容和輸出整流管恢復時間造成的。在電流取樣輸入端增加一個RC濾波器，使它的時間常數(shù)接近尖脈沖的持續(xù)時間，通常將消除不穩(wěn)定性，如圖3-5所示。圖3-5 電流波形尖脈沖抑制欠壓鎖定采用了兩個欠壓鎖定比較器來保證在輸出級被驅動之前，集成電路已完全可用。正電源端(Vcc)和參考輸出(Vref)各由分離的比較器監(jiān)視。每個都具有內部的滯后，以防止在通過它們各自的門限時產生錯誤輸出動作。Vcc比較器上下門限

35、分別為：UCX842A 16V10V，UCX843A8.4V7.6V。Vref比較器高低門限為3.6V3.4V。大滯后和小啟動電流使得UCX842A特別適合干需要有效的自舉啟動技術的離線變換器應用中。UCX843A準備應用于更低電壓直流到直流變換器中。一個36V的齊納二極管作為一個并聯(lián)穩(wěn)壓管，從Vcc連接至地。它的作用是保護集成電路免受系統(tǒng)啟動期間產生的過高電壓的破壞。最小工作電壓：UCX842A為11V，UCX843A為8.2V。輸出這些器件有一個單圖騰柱輸出級，是專門設計用來自接驅動功率MOSFET的，在1.0nF負載下時，它能提供高達±1.0A的峰值驅動電流和典型值為50ns的

36、上升、下降時間，還附加了一個內部電路，使得任何時候只要欠壓鎖定有效，輸出就進入灌模式，這個特性使外部下拉電阻不在需要。 3.2.2 TL431簡介德州儀器公司（TI）生產的TL431是一是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5V）到36V范圍內的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調壓電源，開關電源等等。該器件符號如圖3-6所示。3個引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。 圖3-6 TL431符號TL431的具體功能可以用圖3-

37、7的功能模塊示意?？梢钥吹?，一個內部的2.5V基準源，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有同相端輸入端的電壓非常接近2.5V時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著同相端輸入端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從1到100mA變化。當然該圖絕不是TL431的實際內部結構，所以不能簡單地用這種組合來代替它。圖3-7 TL431功能模塊示意圖3.2.3 PC817光耦簡介PC817是常用的線性光藕，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當作耦合器件，具有上下級電路完全隔離的作用，相互不產生影響。當輸入端加電信號時，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導通，產生光電流從

38、輸出端輸出，從而實現(xiàn)了“電-光-電”的轉換。普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號（開關信號），不適合傳輸模擬信號。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號，這樣隨著輸入信號的強弱變化會產生相應的光信號，從而使光敏晶體管的導通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同。PC817光電耦合器不但可以起到反饋作用還可以起到隔離作用。三極管Vce隨輸入二極管電流If的變化曲線（Ic為參量）如圖3-8所示。圖3-8 三極管Vce隨輸入二極管電流If的變化曲線（Ic為參量）3.3 UC3842常用的電壓反饋電路3.3.1 輸出電壓直接分壓作為誤差放大器的輸入UC3842的輸出電壓

39、直接分壓電路如圖3-9所示。圖3-9 輸出電壓直接分壓該電路的工作原理是：直流電壓加在R5上，降壓后加在UC3842的引腳7上，為芯片提供大于16 V的啟動電壓，當芯片啟動后由反饋繞組提供維持芯片正常工作需要的電壓。當輸出電壓升高時，單端反激變壓器Bl的反饋繞組上產生的反饋電壓也升高，該電壓經R16、R17、W1組成大分壓網(wǎng)絡，分壓后送入UC3842的引腳2，與基準電壓比較后，經誤差放大器放大，使UC3842引腳6的驅動脈沖占空比減小，從而使輸出電壓降低，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。設計內回路反饋時，需要在開關管上串聯(lián)一個以地為參考的取樣電阻R14，R16，R18將初級線圈的電流轉換為電壓信號，此

40、電壓由電流檢測比較器監(jiān)視并與來自誤差放大器的輸出電平比較。這種電路的優(yōu)點是采樣電路簡單，缺點是輸入電壓和輸出電壓必須共地，不能做到電氣隔離。勢必引起電源布線的困難，而且電源工作在高頻開關狀態(tài)，容易引起電磁干擾，必然帶來電路設計的困難，所以這種方法很少使用4。3.3.2 輔助電源輸出電壓分壓作為誤差放大器的輸入圖3-10 輔助電源輸出電壓分壓如圖3-10所示，當輸出電壓升高時，單端反激式變壓器T的輔助繞組上產生的感應電壓也升高，該電壓經過D82，D20，DW1，整流、濾波和穩(wěn)壓網(wǎng)絡后得到一直流電壓，給UC3842供電。同時該電壓經R16及R17分壓后作為采樣電壓，送入UC3842的腳2，在與基準

41、電壓比較后，經誤差放大器放大，使腳6輸出脈沖的占空比變小，輸出電壓下降，達到穩(wěn)壓的目的。同樣，當輸出電壓降低時，使腳6輸出脈沖的占空比變大，輸出電壓上升，最終使輸出電壓穩(wěn)定在設定的值。 這種電路的優(yōu)點是采樣電路簡單，副邊繞組、原邊繞組和輔助繞組之間沒有任何的電氣通路，容易布線。缺點是并非從副邊繞組直接得到采樣電壓，穩(wěn)壓效果不好，實驗中發(fā)現(xiàn)，當電源的負載變化較大時，基本上不能實現(xiàn)穩(wěn)壓。該電路適用于針對某種固定負載的情況。3.3.3 采用線性光耦改變誤差放大器的輸入誤差電壓為克服上述問題，可以對上述反饋電路進行改進，采用光耦和電壓基準進行反饋控制，可以極大地提高開關電源的穩(wěn)定性和精度。采用這種方法

42、進行反饋控制時需要從副邊繞組輸出端進行取樣，電路如圖3-11所示。圖3-11 采用光耦和電壓基準反饋控制電路電壓采樣及反饋電路由光耦PC817、TL431和阻容網(wǎng)絡組成，圖中R5和C5用于TL431的頻率補償，不能缺少。通過調節(jié)由R24，R31，R32組成的分壓網(wǎng)絡后得到采樣電壓，該采樣電壓與三端可調穩(wěn)壓塊TL431提供的2.5 V基準電壓進行比較，當輸出電壓正常時，采樣電壓與TT431提供的2.5 V電壓基準相等，則TL431的K極電位保持不變，從而流過光耦二極管的電流不變，進而流過光耦CE的電流也不變，UC3842引腳2的反饋電位Uf保持不變，則引腳6輸出驅動的占空比不變，輸出電壓穩(wěn)定在設

43、定值不變。當輸出5V電壓因為某種原因升高時，分壓網(wǎng)絡上得到的輸出電壓采樣值會隨之升高，從而TL431的K極電位下降，流過光耦二極管的電流增大，進而流過CE的電流增大，從而UC3842的引腳2的電位升高。由UC3842內部示意圖可知：誤差放大器的輸出電壓Ue減小，亦即電流檢測比較器鉗位電壓減小，UC3842引腳6輸出驅動的占空比減小，從而使輸出電壓減小，這樣就完成了反饋穩(wěn)壓的過程。初級線圈充磁峰值電流取樣的內回路反饋也是開關電源設計起決定作用的環(huán)節(jié)，如果內回路反饋設計不符合電路要求，開關電源就無法正常工作。另外還有一種連接，UC3842的電壓反饋輸入端腳2接地，所以，誤差放大器的輸入誤差總是固定

44、的，可將線性光耦中的光電三極管視為一可變電阻，改變的是誤差放大器的增益。該電路通過調節(jié)誤差放大器的增益而不是調節(jié)誤差放大器的輸入誤差來改變誤差放大器的輸出，從而改變開關信號的占空比。這種拓撲結構不僅外接元器件較少，而且在電壓采樣電路中采用了三端可調穩(wěn)壓管，使得輸出電壓在負載發(fā)生較大的變化時，輸出電壓基本上沒有變化。實驗證明與上述三種反饋電路相比，該電路具有很好的穩(wěn)壓效果。4 總體設計4.1電路組成本設計共分為兩部分：主電源部分、控制電路部分。其中主電源采用單端反激式開關電源技術。控制電路部分包括低電流調節(jié)控制電路部分、恒流電路部分、充電指示電路部分?？傠娐房驁D如圖4-1所示。本設計難點在于主電

45、源設計部分。包括輸入電路，濾波電路，脈沖變壓器制作，開關管選擇，UC3842外圍電路設計、反饋穩(wěn)壓電路。本電路最大功率發(fā)生在恒流充電階段二結束恒壓充電開始時。最大輸出功率為86W。設計主電源時就是要找到最苛刻的條件，即輸入最低，輸出功率最大的條件下來設計脈沖變壓器的。輸入電路要抑制浪涌電流和尖峰電壓。為減小電源尖峰干擾需要在電源進線端和電源輸出線端分別加入濾波電路。脈沖電壓器設計的重要性不言而喻，設計的合理與否直接影響電路效率和帶載能力。UC3842外圍電路包括振蕩電路，誤差放大器輸入和補償電路，電源啟動電路，驅動開關管電路，軟啟動電路。反饋穩(wěn)壓電路采用上面介紹的線性光耦改變誤差放大器的輸入誤

46、差電壓?？刂齐娐凡糠职ǖ碗娏髡{節(jié)控制電路部分、恒流電路部分、充電指示電路部分。其中低電流調節(jié)控制電路部分是當鋰電池本身電壓小于3.3V時，充電器要以微弱的電流將鋰電池充電到3.3V。恒流電路部分是當鋰電池本身電壓達到3.3V以上充電器對其進行恒流充電。充電指示電路部分就是要指示電路狀態(tài)，便于用戶知道充電情況。主電源電路低電流調節(jié)電路恒流電路指示燈電路圖4-1 電路框圖主電源控制電路4.2系統(tǒng)實現(xiàn)功能市面上一些鋰電池充電器充電過程分為預充電,恒流充電,恒壓充電,溫度監(jiān)控。本充電器電路輸出端接上的鋰電池電壓低于3.3V時，首先充電器要以微弱的電流充電到3.3V。達到3.3V后開始以400mA的小

47、電流充電到5V。然后就以4.12A的電流恒流充電。當鋰電池兩端電壓的升高逐漸接近開關電源的輸出電壓，恒流電路被破壞，電壓反饋穩(wěn)壓階段開始。當充電電流在155mA以上就意味著在充電，指示燈為紅色。反之即認為充電完畢，指示燈變?yōu)榫G色。最后本充電器電路的截止充電電壓是21V。 5主電源部分設計主電源電路圖如圖5-1所示。其中包括輸入電路，濾波電路，脈沖變壓器制作，開關管選擇，UC3842外圍電路設計、反饋穩(wěn)壓電路。本電路最大功率發(fā)生在恒流充電階段二結束恒壓充電開始時。最大輸出功率為86W。設計主電源時就是要找到最苛刻的條件，即輸入最低，輸出功率最大的條件下來設計脈沖變壓器的。輸入電路要抑制浪涌電流和

48、尖峰電壓。為減小電源尖峰干擾需要在電源進線端和電源輸出線端分別加入濾波電路。脈沖電壓器設計的重要性不言而喻，設計的合理與否直接影響電路效率和帶載能力。UC3842外圍電路包括振蕩電路，誤差放大器輸入和補償電路，電源啟動電路，驅動開關管電路，軟啟動電路。反饋穩(wěn)壓電路上面介紹的采用線性光耦改變誤差放大器的輸入誤差電壓。圖5-1 主電源電路5.1 輸入電路5.1.1 輸入浪涌電流保護隔離式開關電源在加電時，會產生極高的浪涌電流，需在電源的輸入端采取一些限流措施，才能有效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的，在開關管開始導通的瞬間，電容對交流呈現(xiàn)出很低的阻抗，一般情況下

49、，只是電容的ESR值。如果不采取任何保護措施，浪涌電流可接近幾百安培。通常廣泛采用的措施有兩種，一種方法是利用電阻一雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡；另一種方法是采用負溫度系數(shù)(NTc)的熱敏電阻。用以增加對交流線路的阻抗，把浪捅電流減小到安全值。電阻雙向可控硅技術：采用此項浪涌電流限制技術時，將電阻與交流輸入線相串聯(lián)。當輸入濾波電容充滿電后由于雙向可控硅和電阻是并聯(lián)的，可以把電阻短路，對其進行分流。這種電路結構需要一個觸發(fā)電路，當某些預定的條件滿足后，觸發(fā)電路把雙向可控硅觸發(fā)導通。設計時要認真地選擇雙向可控硅的參數(shù)，并加上足夠的散熱片，因為在它導通時，要流過全部的輸入電流。熱敏電阻技術：這種方法是把負溫度

50、系數(shù)的熱敏電阻串聯(lián)在交流輸入端或者串聯(lián)在經過橋式整流后的直流線上。當開關電源接通時，熱敏電阻的阻值基本上是電阻的標稱值。這樣，由于阻值較大，它就限制了浪涌電流。當電容開始充電時，充電電流流過熱敏電阻，開始對其加熱。由于熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，隨著電阻的加熱，其電阻值開始下降，如果熱敏電阻選擇得合適，在負載電流達到穩(wěn)定狀態(tài)時，其阻值應該是最小。這樣，就不會影響整個開關電源的效率。5.1.2 輸入尖峰電壓保護在一般情況下，交流電網(wǎng)上的電壓為115v或230v左右，但有時也會有高壓的尖峰出現(xiàn)。比如電網(wǎng)附近有電感性開關，暴風雨天氣時的雷電現(xiàn)象，都是產生高尖峰的因素。受嚴重的雷電影響，電網(wǎng)上的高壓尖峰可

51、達5kV。另一方面，電感性開關產生的電壓尖峰的能量滿足下面的公式： （5-1）公式中L是電感器的漏感，I是通過線圈的電流。由此可見，雖然電壓尖峰持續(xù)的時間很短，但是它確有足夠的能量使開關電源的輸入濾波器、開關晶體管等造成致命的損壞。所以需要采取措施加以避免。用在這種環(huán)境中最通用的抑制干擾器件是金局氧化物壓敏電阻瞬態(tài)電壓抑制器。把壓敏電阻連在交流電壓的輸入端。壓敏電阻起到一個可變阻抗的作用。也就是說，當高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時它的阻抗急劇減小到一個低值，消除了尖峰電壓使輸入電壓達到安全值。瞬間的能量消耗在壓敏電阻上，在選擇壓敏電阻時應按下述步驟進行。選擇壓敏電阻的電壓額定值，應該比最大的

52、電路電壓穩(wěn)定值大10一20；計算或估計出電路所要承受的最大瞬間能量的焦爾數(shù)；查明器件所需要承受的最大尖峰電流；上述幾步完成后，就可以根據(jù)生產廠家的壓敏電阻參數(shù)資料選擇合適的壓敏電阻器件。5.2 輸入濾波電路5.2.1 差模干擾和共模干擾概念電壓電流的變化通過導線傳輸時有二種形態(tài),我們將此稱做"共模"和"差模".設備的電源線,電話等的通信線,與其它設備或外圍設備相互交換的通訊線路,至少有兩根導線,這兩根導線作為往返線路輸送電力或信號.但在這兩根導線之外通常還有第三導體,這就是"地線".干擾電壓和電流分為兩種:一種是兩根導線分別做為往返線

53、路傳輸;另一種是兩根導線做去路,地線做返回路傳輸.前者叫"差模",后者叫"共模"。5.2.2 濾除干擾信號為了減小差模干擾和共模干擾需要在電源進線端和電源輸出線端分別加入濾波電路。在電源進線端通常采用如圖5-2所示電路。該電路對共模和差模紋波干擾均有較好抑制作用。濾除差模干擾信號。L1,L2,C1用于濾除差模干擾信號。L1,L2磁芯面積不宜太小，以免飽和。電感量幾毫亨至幾十毫亨。C1為電源跨接電容，又稱X電容。用陶瓷電容或聚脂薄膜電容效果更好。電容量取0.22F0.47F。濾除共模干擾信號L3，L4，C2-1，C2-2用于濾除共模干擾信號。L3，L4要求

54、圈數(shù)相同，一般取10，電感量2mH左右。C2-1，C2-2為旁路電容，又稱Y電容。電容量要求2200pF左右。電容量過大，影響設備的絕緣性能。圖5-2 電源進線端濾波電路5.3 變壓器設計5.3.1變壓器功能高頻電源變壓器完成功能有三個：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。第一種是變壓器功率的傳送方式，加在原繞組上的電壓，在磁芯中產生磁通變化，使副繞組感應電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊。在功率傳送過程中，磁芯又分為磁通單方向變化和磁通雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式，磁通密度從最大值 Bm變化到剩余磁通密度Br，或者從Br變化到Bm。磁通密度變化值B=Bm-Br。為

55、了提高B，希望Bm大，Br小。雙方向變化工作模式磁通度從+ Bm變化到-Bm，或者從-Bm變化到+Bm。磁通密度變化值B=2Bm，為了提高B，希望Bm大，但不要求Br小，不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式，變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導率有關，第二種是電感器功率傳送方式，原繞組輸入的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?，然后通過去磁使副繞組感應電壓，變成電能釋放給負載。傳送功率決定于電感磁芯儲能，而儲能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導率有關，磁導率高，電感量大，儲能多。而不直接與磁通密度有關。雖然功率傳送方式不同，要求的磁芯參數(shù)不一樣，但是在高頻電源變壓器設計中，磁芯的材料

56、和參數(shù)的選擇仍然是設計的一個主要內容。電壓變換通過原邊和副邊繞組匝數(shù)比來完成。不管功率傳送是那一種方式，原邊和副邊的電壓變換比等于原和副繞組匝數(shù)比。繞組匝數(shù)設計成多少，只要不改變匝數(shù)比，就不影響電壓變換。但是繞組匝數(shù)與高頻電源變壓器的漏感有關。漏感大小與原繞組匝數(shù)的平方成正比。漏感值大，儲存的能量也大，在電源開關過程中突然釋放，會產生尖峰電壓，增加開關器件承受的電壓峰值，也對絕緣不利，產生附加損耗和電磁干擾。絕緣隔離通過原邊和副邊繞組的絕緣結構來完成。為了保證繞組之間的絕緣，必須增加兩個繞組之間的距離，從而降低繞組間的耦合程度，使漏感增大。還有，原繞組一般為高壓繞組，匝數(shù)不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會引起局部短路。這樣，匝數(shù)有下限，使漏感也有下限?？傊?，在高頻電源變壓器絕緣結構和總體結構設計