一種EM78P258N單片機(jī)控制的鉛酸蓄電池充電電源
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由于EM78P258N芯片并不是專用的電源管理IC，所以在程序設(shè)計(jì)時(shí)，一定要盡可能將所有可能出現(xiàn)的工作狀態(tài)全部考慮到。由于單片機(jī)的運(yùn)算速度的限制(在本例中，一個(gè)指令周期為125 ns)，不可能實(shí)現(xiàn)特別準(zhǔn)確的電壓或電流輸出，但對(duì)于鉛酸電池來(lái)說(shuō)，適當(dāng)?shù)碾妷夯螂娏骷y波反而有利于消除極板硫化現(xiàn)象。
軟件控制流程如圖3所示。當(dāng)蓄電池接上后，單片機(jī)開始工作，初始化后，PWM緩慢打開，然后檢測(cè)電流采樣電阻上的電壓，將電路的輸出電流控制到1．8～2 A之間，同時(shí)檢測(cè)輸出電壓并計(jì)時(shí)，如果電路輸出電壓到達(dá)42 V的時(shí)間小于10 s，就認(rèn)為這個(gè)電池本身就滿的，程序直接轉(zhuǎn)到涓流狀態(tài)。當(dāng)電路的輸出電壓達(dá)到43 V后，程序轉(zhuǎn)到恒壓充電階段，此階段將電路的輸出電壓控制到43～45 V之間，同時(shí)檢測(cè)輸出電流并計(jì)時(shí)，當(dāng)輸出電流小于200 mA時(shí)，程序轉(zhuǎn)到恒壓轉(zhuǎn)涓流階段。由于在恒壓階段，電池已經(jīng)被浮充到了44．6 V左右，而涓流階段的電壓要求為41．4 V左右，如果恒壓階段結(jié)束后直接轉(zhuǎn)到涓流階段，就會(huì)出現(xiàn)電池的電壓高于充電器輸出電壓的情況，充電電流為零，強(qiáng)迫程序結(jié)柬。所以在恒壓階段結(jié)束后，程序先進(jìn)入一個(gè)恒壓轉(zhuǎn)涓流階段，在此階段，將充電電流控制到80～100 mA之間，隨著充電電流的下降，電池兩端的電壓也會(huì)下降，當(dāng)電池兩端的電壓降至40 V以下時(shí)，程序轉(zhuǎn)到涓流階段繼續(xù)對(duì)電池進(jìn)行充電，從而真正實(shí)現(xiàn)了三段式的充電模式。涓流階段持續(xù)半小時(shí)或者充電電流小于50 mA后，單片機(jī)在蜂鳴提示后，進(jìn)行到睡眠狀態(tài)，充電過(guò)程結(jié)束。
在單片機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程，充電器的輸出電壓和輸出電流一直被監(jiān)控，如果單片機(jī)的程序末完成，蓄電池即被取下，這時(shí)開關(guān)管開通時(shí)儲(chǔ)存在變壓器里的能量無(wú)法被充分釋放，長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致變壓器的磁飽和，繼而燒毀充電器。所以在程序中，設(shè)定當(dāng)充電電流為零，充電過(guò)程即強(qiáng)制結(jié)束。如果檢測(cè)到充電器的輸出電壓過(guò)高或輸出電流過(guò)大，充電程序也會(huì)強(qiáng)制結(jié)束，保護(hù)蓄電池不會(huì)損壞。
在程序中，各階段的執(zhí)行時(shí)間均被記錄，如果充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或充電時(shí)間過(guò)短，均會(huì)跳至對(duì)應(yīng)的程序段，或點(diǎn)亮信號(hào)燈，或蜂鳴報(bào)警，或強(qiáng)制結(jié)束程序，這使得充電狀態(tài)一目了然。
1．3 變壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
由于電池的充電電流不可以為零，所以本充電器必須工作在連續(xù)工作模式下，反激變壓器即使工作在電流連續(xù)模式，盡管總安匝不會(huì)停留在零，但是，對(duì)于反激變壓器的每個(gè)線圈來(lái)說(shuō)，線圈電流總是處于斷續(xù)狀態(tài)。當(dāng)然電流(安匝)斷續(xù)更是如此。這是因?yàn)殚_關(guān)期間，電流(安匝)在初級(jí)和次級(jí)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換，即初級(jí)安匝減少時(shí)，次級(jí)安匝等量增加，反之亦然。雖然總安匝是連續(xù)的，紋波很小，但每個(gè)線圈的電流交
替由零到最高峰值之間變化。無(wú)論什么工作模式，線圈交流損耗大。
為了降低成本，本例中使用的開關(guān)器件是IRF840(500 V、8 A)，這使得變壓器的匝數(shù)比不可能太大，因?yàn)槭须娊?jīng)整流濾波后的電壓約為300VDC，充電器的最高輸出電壓約為45VDC，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定匝數(shù)比N1／N2為2，這樣IRF840芯片約有100VDC的漏感尖峰裕度，降幅較為可靠。
變壓器的初級(jí)和次級(jí)的伏秒數(shù)要保持平衡，由此可推算出開關(guān)管的最大開通時(shí)間
式中，
為變壓器原邊的最低輸入電壓，T為開關(guān)周期，VO為輸出電壓，N1為初級(jí)匝數(shù)，N2為次級(jí)匝數(shù)，這里忽略了電路中開關(guān)管和二極管的導(dǎo)通壓降。
假設(shè)充電器的效率為80％，充電器的輸出功率為100 W，由于開關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間出現(xiàn)在輸入電壓最低的時(shí)候，可推得變壓器的初級(jí)電感量
式中，PO為輸出功率。
為保證本充電器可以可靠的工作在連續(xù)電流模式下，經(jīng)調(diào)試，變壓器的實(shí)際參數(shù)如下：磁芯采用TDK的PC40EER40磁芯，磁芯芯柱的氣隙設(shè)為1．58 mm，骨架采用排距25 mm、針距5 mm、6x6針的立式骨架。初級(jí)繞組用0．64mm高強(qiáng)度漆包線繞97匝，電感量780 μH；次級(jí)繞組用0．64 mm高強(qiáng)度漆包線三線并繞50匝，電感量為208 μH。初次級(jí)之間墊入3層聚脂薄膜，不浸漆。
2 總結(jié)
經(jīng)測(cè)試，本充電器的最高輸出功率可達(dá)90 W，效率約85％，整機(jī)成本約20元人民幣，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
由于單片機(jī)的運(yùn)算速度的限制，使用單片機(jī)模擬電源管理IC無(wú)法做到使反饋環(huán)路非常穩(wěn)定，這給電路的熱設(shè)計(jì)增加了難度。如果要優(yōu)化熱設(shè)計(jì)，可采用給單片機(jī)外置振蕩器，將其工作頻率提高到20 MHz的方法，也可以將恒流充電階段再分成若干個(gè)階段，隨著充電器輸出電壓的提高，逐漸的降低輸出電流以降低輸出功率，以延長(zhǎng)充電時(shí)間為代價(jià)來(lái)降低充電器的發(fā)熱量，可以大幅降低充電器的工作溫度。
本設(shè)計(jì)是采用單片機(jī)模擬電源管理IC，實(shí)現(xiàn)電源智能化的一次成功嘗試，通過(guò)本次嘗試，相信可以大大擴(kuò)展智能化電源的設(shè)計(jì)思路。
評(píng)論