一種36V電動(dòng)自行車充電器的設(shè)計(jì)*

張 波，曹豐文

（蘇州職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104）

一種36V電動(dòng)自行車充電器的設(shè)計(jì)*

張 波，曹豐文

（蘇州職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104）

電動(dòng)自行車充電器市場(chǎng)巨大，性價(jià)比高的電動(dòng)車充電器在市場(chǎng)上很有競(jìng)爭(zhēng)力，因此設(shè)計(jì)了一款性能優(yōu)良的低成本36V電動(dòng)自行車充電器。該充電器基于電流模式的開(kāi)關(guān)電源的原理設(shè)計(jì)，主電路采用單端反激式設(shè)計(jì)，控制電路以電流型集成控制器UC3842為核心，配合LM324、光耦和TL431實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電控制。文章簡(jiǎn)介了相關(guān)芯片，給出了完整的實(shí)際設(shè)計(jì)電路，詳細(xì)分析了其設(shè)計(jì)及工作原理，這其中包括主電路、控制電路、反饋電路和顯示部分的工作原理，并給出了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)踐應(yīng)用表明，該充電器性能優(yōu)良，適應(yīng)性較強(qiáng)，比同性能的充電器成本低，很有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

反饋控制；集成控制器；電流模式；充電器

1 引言

電動(dòng)自行車作為一種輕便的交通工具時(shí)下已非常普遍，其普及程度大有超趕自行車的趨勢(shì)，而充電器是電動(dòng)自行車必不可少的配件，電動(dòng)車充電器市場(chǎng)巨大。目前市場(chǎng)上的充電器可分為兩類：一類是以UC3842為核心驅(qū)動(dòng)的單管變換器，另一類是以TL494為核心驅(qū)動(dòng)的半橋型變換器。本文基于UC3842設(shè)計(jì)了一款反激式低成本的36V電動(dòng)車充電器。

2 主要器件介紹

2.1 UC3842介紹

UC3842國(guó)產(chǎn)型號(hào)為CW3842，UC3842的同類產(chǎn)品還有UC1842（軍用），UC2842（民用），性能以軍用的UC1842最好、最穩(wěn)定。UC3842是高性能電流型PWM集成控制器，電流型控制方式是種固定時(shí)間開(kāi)啟，給定電壓信號(hào)、反饋電壓信號(hào)和反饋電流信號(hào)共同決定其關(guān)斷時(shí)刻的控制方法。該芯片常見(jiàn)的封裝形式有DIP-8和SO-14，有效引腳為8個(gè)，SO-14有部分引腳是空腳，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，由欠壓封鎖電路、振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存器、輸出電路和基準(zhǔn)電壓電路等組成，右邊的數(shù)字對(duì)應(yīng)SO-14封裝。以DIP-8介紹，1腳是誤差放大器的輸出端，和2腳之間外接阻容元件用于改善誤差放大器的性能；2腳是芯片內(nèi)部分誤差放大器的反向輸入端，用作電壓反饋輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓；3腳為芯片內(nèi)PWM比較器的反向輸入端，作為電流反饋的輸入端，當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；4腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定；5腳為公共地端；6腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns ，驅(qū)動(dòng)能力為±1A ；7腳是直流電源供電端；8腳為5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA的負(fù)載能力。

UC3842欠壓封鎖導(dǎo)通門(mén)限為16V，關(guān)斷門(mén)限電壓為10V；基準(zhǔn)電壓部分產(chǎn)生5.0V基準(zhǔn)電壓，從8腳輸出；振蕩器使用時(shí)外接電阻RT和電容CT，使用時(shí)電阻跨接在8腳和4上：

電容一端接4腳一端接地，振蕩器最高工作頻率可達(dá)500KHz，誤差放大器的同向輸入端在器件內(nèi)部接有2.5V±2%基準(zhǔn)電壓；PWM信號(hào)從6腳輸出，輸出電路驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)N溝道MOS管和雙極晶體管。

2.2 TL431和LM324簡(jiǎn)介

TL431是2.5V～36V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，其性能優(yōu)良、價(jià)格低廉，能構(gòu)成電壓比較器、電源電壓監(jiān)視器、延時(shí)電路、精密恒流源、外部誤差放大器等。它的一些特性使得它可以在電源、數(shù)字電壓表和運(yùn)放電路等許多場(chǎng)合代替齊納二極管，其常見(jiàn)的封裝有TO-92型和DIP-8（實(shí)際有效管腳也為3個(gè)），管腳分別為陽(yáng)極A、陰極K和輸出設(shè)定端R（基準(zhǔn)端），基準(zhǔn)端的電壓為2.5V，其典型應(yīng)用之一如圖2（a）所示。TL431作為外部誤差放大器時(shí)，與線性光可構(gòu)成隔離式反饋電路，在開(kāi)關(guān)電源中較多見(jiàn)。

LM324常見(jiàn)的為DIP-14封裝，內(nèi)部集成四個(gè)相互獨(dú)立的帶有差動(dòng)輸入的高增益運(yùn)算放大器，可單電源供電，也可雙電源供電，其管腳功能如如圖2（b）所示。

3 基于UC3842的36V充電器分析與設(shè)計(jì)

3.1 主體部分分析與設(shè)計(jì)

電路主體部分如圖3所示。主電路為單端反激式DC/DC變換器。

單端反激式是輸入與輸出隔離的DC/DC變換器中的一種。所謂單端是指變壓器僅有單一方向的磁通，反激是指開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器原邊僅作為電感儲(chǔ)存能量，能量是在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)傳遞負(fù)載的。輸入的直流電壓Ui由市電經(jīng)二極管橋式整流加電容濾波得到。主電路主要由功率開(kāi)關(guān)管Q1，高頻變壓器T1，高頻整流二極管D1、D2、D3，濾波電容C6、C5、C3組成。其中開(kāi)關(guān)管Q1為型號(hào)為P7NA60的場(chǎng)效應(yīng)管，變壓器有三個(gè)副邊L2、L3及L4，對(duì)應(yīng)著三路輸出，這里均把其看作主電路的部分，L2這路輸出為主輸出，給蓄電池充電，L4這路輸出主要給UC3842及光耦供電，L3這路給后面狀態(tài)指示電路部分供電及作為其相應(yīng)的輸入。因?yàn)楦边匧3和L2匝數(shù)成比例，兩路輸出電壓成比例，故L3這路可做為反饋信號(hào)。二極管D4為普通整流二極管，有利于對(duì)蓄電池充電；R15主要是為了避免單端反激式工作在空載狀態(tài)。

控制部分以UC3842為核心構(gòu)成。次級(jí)繞組L4的輸出經(jīng)D2整流和C3濾波后加在7腳給芯片供電。剛要啟動(dòng)時(shí)變壓器次級(jí)線圈無(wú)電壓輸出，故Ui經(jīng)R4分壓后加在7腳給芯片供電，正常工作時(shí)由L4的這一路供電；電阻R2跨接在基準(zhǔn)電壓端8腳和定時(shí)端4腳，電容C7接4腳和地，這是振電路外部分固定的接法，電阻R2和電容C7決定振蕩器的工作頻率，也就決定了UC3842輸出的PWM信號(hào)頻率；光耦PC817輸出經(jīng)R18送至2腳，為電壓反饋信號(hào)，2腳為芯片內(nèi)部誤差放大器的反向輸入端；芯片1腳和2腳之間連接的R5和C2起到改善誤差放大器性能的增益和頻率特性的作用；變壓器原邊L1，開(kāi)關(guān)管Q1，R3和R17中的電流相同，故R17為電流取樣電阻，其接至電流檢測(cè)比較器的輸入端3腳；內(nèi)部誤差放大器的反向輸入端2腳為電壓反饋信號(hào)，誤差放大器同向輸入端在芯片得到的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，經(jīng)誤差放大器后得誤差放大信號(hào)，而誤差放大信號(hào)送到芯片內(nèi)部電流檢測(cè)比較器的輸入端，電流檢測(cè)比較器的另一輸入端就是3腳，3腳接電流反饋信號(hào)，這就構(gòu)成了雙閉環(huán)系統(tǒng)，電流反饋是內(nèi)環(huán)。PWM信號(hào)輸出端6腳有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，在這里經(jīng)R6直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Q1。

反饋部分主要由可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC817構(gòu)成。輸出電壓UO經(jīng)R13、R12和R14分壓后加至TL431的1腳，UO有波動(dòng)時(shí)TL431的1腳的輸入也會(huì)相應(yīng)變化，與TL431中的2.50V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后在陰極上會(huì)形成誤差電壓，使光耦中LED的電流也發(fā)生相應(yīng)變化，再通過(guò)光耦使UC3842的2腳上得到的電壓反饋信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而改變UC3842的6腳上輸出的PWM的占空比，控制輸出達(dá)到要求。

負(fù)載為蓄電池，所以UO被鉗制的電壓和蓄電池電壓相同，而剛開(kāi)始充電時(shí)蓄電池電壓較低，通過(guò)反饋必然會(huì)增加DC/DC變換器的輸出，從而使充電電流較大，為了限制該電流，增加了R16和D5這一路反饋信號(hào)。變換器輸出增加時(shí)，L3這一路輸出也增加，經(jīng)R16和D5加在TL431的1腳的電壓也增加，從而限制變換器輸出的增加，也就限制了最大充電電流。

3.2 狀態(tài)指示部分分析與設(shè)計(jì)

狀態(tài)指示部分電路如圖4，以LM324為核心構(gòu)成。狀態(tài)指示電路的主要作用是顯示電源是否接通，充電是否結(jié)束。圖3和圖4都是充電器電路的一部分，圖4中的A、B、C三點(diǎn)分別和圖3中的A、B、C三點(diǎn)相連。充電器接上交流電源后，C點(diǎn)上就有電壓，一方面加在4腳給LM324供電，另一方面通過(guò)R21讓電源指示LED燈D1亮。D3和D4為一雙色 LED指示燈。剛開(kāi)始充電時(shí)，經(jīng)R22和R23分壓后輸入給5腳的電壓大于其6腳得到的電壓，7腳輸出高電位，經(jīng)R29使D3紅燈亮，同時(shí)經(jīng)R27送至2腳使2腳電壓高于3腳得到的電壓，1腳輸出低電位，綠燈D4不亮；充好電時(shí)蓄電池上電壓相對(duì)較高，5腳的電壓大于其6腳電壓，7腳輸出低電平，紅燈D3不亮，同時(shí)綠燈D4亮。

3.3 部分測(cè)試結(jié)果

該充電器空載時(shí)輸出電壓為42.1V，開(kāi)關(guān)管工作頻率為39kHz，效率可達(dá)84%，充電時(shí)變壓器原邊的電壓波形如圖5所示。

4 總結(jié)

該充電器由基于電流型集成控制器UC3842的單管變換器配合LM324構(gòu)成，結(jié)構(gòu)合理，控制方式較新穎，有很大的成本優(yōu)勢(shì)，能更好地適應(yīng)市場(chǎng)。測(cè)試和實(shí)踐應(yīng)用表明該充電器性能優(yōu)良穩(wěn)定。本文設(shè)計(jì)電路時(shí)所用的設(shè)計(jì)思路和控制方式對(duì)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

［1］張波. 基于TL494的直流變換器[J].電子與封裝，2010，10（12）：23-26.

［2］侯振義.直流開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］陳德康. 脈寬調(diào)制器UC3842在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20（2）：27-30.

［4］張波.基于UC3842集成控制器的電流模式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電工電氣，2010，12（9）：25-27，48.

One Design of 36V Charger for Electric Bicycle

ZHANG Bo, CAO Feng-wen
（Electronic Information Engineering Department, Suzhou Vocational University, Suzhou215104 ,China）

Electric bicycle charger’s market is huge, cost-effective charger in the market is very competitive , so designed a low cost 36V charger with excellent performance. The charger is based on the principle of currentmode switching power supply, the main circuit design uses single-ended flyback and current integrated controller UC3842 is the core of the control , with the LM324 , optocoupler and TL431 for charge control. This paper introduced the related chips, gave not only the actual design of the circuit and detailed analysis of its working principle and design, including the main circuit, control circuit, feedback circuit and the display part ,but also some experimental results. Practical application shows that the charger has excellent performance and adaptability,compared with other chargers with the same performance , lower cost, very competitive.

feedback control; integrated controllers; current mode;charger

TH12;TM502

B

1681-1070（2011）05-0038-04

2011-03-21

蘇州市職業(yè)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金資助項(xiàng)目（200802）

張 波（1979—），男，碩士，講師，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

產(chǎn)品、應(yīng)用與市場(chǎng)