基于UC3906的可充電多電壓輸出電源電路設(shè)計(jì)

馮 兵，孫偉瑋，肖鵬斌

(1.中國(guó)人民解放軍91172 部隊(duì)，海南 三亞 572000;2.海軍駐太原某軍代室，太原 030000;3.海軍駐蘭州某軍代室，蘭州 730030)

便攜式的電子設(shè)備往往需要自身來(lái)提供電源支持，密封免維護(hù)鉛酸蓄電池由于具有密封好、無(wú)泄漏、無(wú)污染、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在此類電源設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。而隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展FPGA/CPLD 等集成器件在電路設(shè)計(jì)中得到了越來(lái)越多的使用，它們的供電相較普通的數(shù)字電路更為復(fù)雜，這又對(duì)電源的設(shè)計(jì)提出了新的要求，為此進(jìn)行了可充電、多電壓輸出電源電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作［4-6］。

1 電路總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，該電路由充電管理、蓄電池、隔離式DC-DC和FPGA 電源管理等模塊構(gòu)成。其中充電管理模塊用于對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電管理。蓄電池采用了2 塊12V/4AH 的鉛酸蓄電池。隔離式DC-DC 用于將鉛酸蓄電池的±12 V 電壓轉(zhuǎn)換為±5 V 電壓，在充電過(guò)程中圖中所示的2 個(gè)繼電器自動(dòng)斷開(kāi)，防止充電電壓對(duì)電路造成損害。FPGA 電源管理模塊用于將5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V、2.5 V 和1.2 V 等FPGA工作需要的電壓［7-8］。

圖1 電路總體結(jié)構(gòu)

2 蓄電池和充電電路設(shè)計(jì)

蓄電池和充電電路如圖2 所示，系統(tǒng)主電源采用2 塊MX12040 型鉛酸蓄電池構(gòu)成，這2 塊鉛酸蓄電池的規(guī)格為12V/4AH。2 個(gè)繼電器的作用是在通上充電電壓以后將向系統(tǒng)供電的開(kāi)關(guān)關(guān)閉，避免充電電壓對(duì)系統(tǒng)電路造成損害，與其并聯(lián)的發(fā)光二極管會(huì)指示系統(tǒng)正在進(jìn)行充電。UC3906 是TI 推出的鉛酸蓄電池專用充電管理芯片，它具有鉛酸蓄電池充電所需的全部控制和檢測(cè)功能，其基準(zhǔn)電壓與鉛酸電池電壓隨溫度的變化特性完全相同，可以保證充電的精度，對(duì)電池壽命大有裨益［9］。

設(shè)計(jì)中采用了用UC3906 構(gòu)建的雙電平浮充充電器，其充電狀態(tài)曲線如圖2 所示，由圖2 可見(jiàn)，其充電過(guò)程共分為大電流恒流充電、高電壓恒壓過(guò)充電和低電壓恒壓浮充電3個(gè)狀態(tài)。開(kāi)始充電以后，充電器首先進(jìn)入大電流恒流充電狀態(tài)，充電器輸出充電電流Imax。當(dāng)電池電壓增加至轉(zhuǎn)換電壓V12時(shí)，電池電量已恢復(fù)至0.7C ～0.9C。此后，充電器開(kāi)始以VOC來(lái)對(duì)電池進(jìn)行高電壓恒壓過(guò)充電，在此狀態(tài)下當(dāng)充電電流降低至IOCT時(shí)，電池即被充滿，充電器進(jìn)入以VF進(jìn)行充電的低電壓恒壓浮充充電狀態(tài)［10］。

雙電平浮充充電器的原理如圖3 所示，其過(guò)充充電電壓為

浮充充電電壓為

過(guò)充電轉(zhuǎn)換電壓為

浮充轉(zhuǎn)換電壓為

最大充電電流過(guò)充電電流［11］

其中，VREF為參考電平，在25 ℃下其典型值為每節(jié)蓄電池2.28 V，在本充電電路中，相當(dāng)于12 節(jié)串聯(lián)，故取其值為27.36 V。因電池適宜浮充電壓為2.275 每節(jié)，故本充電電路選取的參數(shù)為VOC= 30 V，VF= 27.3 V，V12= 28.5 V，V31= 27 V，IMAX= 0.5 A，IOCT= 0.05 A。

當(dāng)電池電量充滿時(shí)，比較器的2 號(hào)腳輸出低電平，發(fā)光二極管亮，指示電量已充滿，進(jìn)入浮充狀態(tài)。

圖2中A2 是一個(gè)輸入電壓范圍18 ～36V，輸出±5 V的DC/DC 模塊。在進(jìn)行充電和對(duì)DC/DC 模塊供電中，2 塊鉛酸蓄電池作為24 V 電壓源使用，在直接對(duì)電路中的器件供電時(shí)，鉛酸蓄電池以±12 V 來(lái)供電，電路中±12 V 電壓與±5 V 電壓共地。可以進(jìn)行這樣的設(shè)計(jì)得益于選擇了隔離式DC/DC 模塊，如圖3 所示，在DC/DC 模塊的輸入端，將上位蓄電池的正極作為+24 V，將下位蓄電池的負(fù)極作為地，它的輸入端又把上位蓄電池的負(fù)極作為地，隔離式的DC/DC模塊允許這種靈活的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)使得2 塊蓄電池的耗電量基本一致，保證它們的電量基本可以同時(shí)耗盡，一方面對(duì)電池壽命有好處，另一方面也方便對(duì)電池組同時(shí)充電，并且可以保證后續(xù)電路對(duì)±12 V 電壓的需求。

圖2 雙電平浮充充電曲線

圖3 蓄電池和充電電路

3 FPGA 電源管理電路設(shè)計(jì)

電路中選取了TI 公司的電源管理芯片TPS75003，它集成了2 個(gè)3A 的DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，其正常供電時(shí)效率可達(dá)95%，并包含一個(gè)300 mA 低壓降(LDO)調(diào)整器，該器件擁有一些獨(dú)特的特性，如可用于浪涌電流控制的可編程軟啟動(dòng)和用于加電次序的獨(dú)立使能，大大降低了對(duì)FPGA 系統(tǒng)供電所需的外接元件數(shù)量。該芯片所有通道輸出電壓均可調(diào)整，從1.2 V 到6.5 V。在設(shè)計(jì)中，利用它的2 個(gè)DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器和1 個(gè)LDO 調(diào)整器，將5 V 的電壓轉(zhuǎn)換為FPGA 與單片機(jī)工作需要的3.3 V、1.2 V 和2.5 V 的電壓，其電路如圖4 所示。

4 系統(tǒng)性能評(píng)估與測(cè)試

經(jīng)過(guò)調(diào)試以后，對(duì)電路的性能進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估。為保證測(cè)試結(jié)果的代表性，在不同時(shí)間對(duì)電路的輸出電壓進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，+12 V 和-12 V 的電壓波動(dòng)較大，這是由鉛酸蓄電池本身的特性決定的，在充滿電和電量即將耗盡時(shí)電壓相差較大。其他的輸出基本都在設(shè)計(jì)值左右小幅搖擺，再考慮到測(cè)試中儀器以及溫度等導(dǎo)致的誤差，可以看出該電路的輸出比較穩(wěn)定，同時(shí)精度也比較高。

圖4 FPGA 與單片機(jī)電源電路

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

在本電路中，將2 塊12V4AH 的鉛酸蓄電池串聯(lián)接入一個(gè)輸入電壓為18 ～36 V 的隔離式DC/DC 模塊，產(chǎn)生±5 V的電壓，隔離式DC/DC 模塊使得其在輸入端以蓄電池的-12 V為地，而在輸出端以蓄電池的0 V 為地，這一設(shè)計(jì)一方面對(duì)電池壽命有好處，另一方面也方便對(duì)電池組同時(shí)充電，并且可以保證后續(xù)電路對(duì)±12 V 電壓的需求。通過(guò)TI公司為FPGA/CPLD 提供電源管理的芯片TPS75003，將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V、2.5 V 和1.2 V 電壓。基于UC3906 充電管理芯片為鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)了專用的免維護(hù)雙電平智能充電器，在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了蓄電池的精確快速充電，保證了鉛酸蓄電池的使用壽命，并且本電源電路可提供±12 V、±5 V、3.3 V、2.5 V 和1.2 V 的電壓輸出，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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