智能型鎳鎘充電器系統(tǒng)的設(shè)計

蘇釗+蔣洪+田新明

摘 要：蓄電池被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)和家用電子設(shè)備中，由于蓄電池的成本低，可以多次循環(huán)充電使用，符合國家節(jié)能環(huán)保的要求。市面上的鎳鎘充電器種類繁多，好的充電器可以延長電池的壽命，不好的充電器在充電工程中可以使電池發(fā)熱，甚至出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，會使充電池有爆炸的危險。市面上的充電多以檢測電池溫度和充電時間來確定電池是否充滿。而現(xiàn)在研究的充電器除了以上檢測功能以外，通過加入了電池的負(fù)壓檢測，來檢測電池是否已經(jīng)充滿。充電器可以充6～15節(jié)電池，充電器通過MCU檢測電池狀態(tài)來控制外部硬件，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：負(fù)壓檢測 閉環(huán)控制 溫度 時間

中圖分類號：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0055-03

1 智能型鎳鎘充電器的原理框圖

1.1 充電器

一般都是由電源部分、恒流電路、控制部分以及電池狀態(tài)檢測電路組成。電源部分，一般是通過一個開關(guān)電源把市電轉(zhuǎn)換成要充電的電壓，開關(guān)電源的好處就是轉(zhuǎn)換效率高，電能利用率高（見圖1）。

恒流電路是通過檢測充電的電流來控制充電的電壓。電池狀態(tài)檢測是通過外部電路檢測當(dāng)前電池電壓、溫度等參數(shù)。控制電路是一般都是由MCU來產(chǎn)生一個控制信號和指示信號。

1.2 設(shè)計思路

通過原理框圖結(jié)合一些成熟的電路原理圖，經(jīng)過分析自己可以設(shè)計出充電器的硬件原理圖來。

2 智能型鎳鎘充電器的硬件原理

2.1 交流-直流整流電路

市電經(jīng)過電路后接兩個電阻給電容XC1放電使用，防止在充電器拔出后人體碰觸插頭被電麻，電感LF1是對電源的電流起到一個濾波的作用，使得電流平穩(wěn)。4個二極管是對電壓進(jìn)行橋式整流轉(zhuǎn)換成一個脈動的直流電壓供電源的高壓一次側(cè)使用。

2.2 高壓一次側(cè)的主回路和震蕩電路。

脈動的直流電壓，電壓經(jīng)過二極管D10和電阻R15，R17到震蕩芯片OB2263，給震蕩芯片一個剛上電的電壓，讓芯片產(chǎn)生震蕩電壓給場效應(yīng)管Q2工作，即導(dǎo)通和關(guān)斷。芯片產(chǎn)生的震蕩頻率為：

Fosc=6500/RI（Kohm）（kHz）

當(dāng)場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通后，電壓經(jīng)過高頻磁芯T1A的高壓側(cè)，經(jīng)過開關(guān)管，還有下面4個并聯(lián)的0.5ohm電阻形成回路，產(chǎn)生電流。回路電流經(jīng)過高頻磁芯，T1A的高壓側(cè)，會在二次側(cè)產(chǎn)生一個感應(yīng)的電流。

經(jīng)過4個并聯(lián)的電阻后，會在電阻上面產(chǎn)生一個電壓，反饋到芯片OB2263中芯片會根據(jù)這個電壓來調(diào)節(jié)輸出頻率。在上電后，OB2263的產(chǎn)生震蕩足以在T1B高頻磁芯的二次側(cè)，電壓經(jīng)過D9，R14來給OB2263提供電源。

2.3 恒流轉(zhuǎn)換電路

這是一個充電電路，高壓一次側(cè)經(jīng)過高頻磁芯T1A產(chǎn)生變化的電流，在二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對電阻R10，R11起到保護(hù)的作用，在沒有外部回路的時候，即沒有接上電池的時候，或者開關(guān)管AO3401關(guān)斷的時候，會經(jīng)過電阻形成電流回路。開關(guān)管經(jīng)過控制電路核心芯片MCU控制。Vo_bat端口的電壓，反饋到MCU的ADC上。D7，R9和控制電路的電源接到一起，起到輔助供電的作用。R13作為一個采樣電阻，其作用是可以采樣流過電池中的電流，在電阻上形成一個電壓，這個電壓和控制電路的比較器的固定電壓比較，產(chǎn)生電平信號對芯片OB2263的FB信號進(jìn)行控制，來控制一次側(cè)的開關(guān)頻率，從而起動對電流的控制作用。在電阻R13上的電壓可以表示為：

Vs=In×0.1（V）

2.4 控制電路以及其供電電路

高壓側(cè)的開關(guān)管在一次側(cè)產(chǎn)生一個變化的電流，高頻磁芯T1C二次側(cè)也會產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，經(jīng)過回路會有一個感應(yīng)電壓。穩(wěn)壓電路TL431，經(jīng)過反向電壓形成電壓，讓三極管MPS222A打開，經(jīng)過濾波電容C6，形成一個穩(wěn)定的電壓M_VDD，供控制芯片供電。

電池狀態(tài)檢測電路，M_VDD經(jīng)過R39到端口NTC，這是一個溫度開關(guān)，用來檢測電池的溫度，當(dāng)電池溫度過高的時候，溫度開關(guān)會斷開，否則溫度開關(guān)會閉合。還有一個電阻分壓電路R35，R33，用來測量電池當(dāng)前的電壓，以檢測電池的負(fù)壓。

分得的電壓為：

V=Vo_bat×1.5/（33+1.5）（V）

CTR端口是有MCU的P1.4端口控制，當(dāng)P1.4端口為高電平時候，三極管Q3導(dǎo)通，則恒流電路的AO3401開關(guān)管打開，對電池充電，反之，開關(guān)管關(guān)斷，電池不充電。

充電指示電路LED端口，接一個雙向的LED燈，用來支持是否在充電狀態(tài)，充電狀態(tài)指示燈會亮紅等，其他狀態(tài)會亮綠燈。

MCU的特點(diǎn)就是內(nèi)部有一個比較器，對整個充電電路起到關(guān)鍵的作用，也節(jié)省了一個比較器的成本。P5.5為比較器的正端，接上了一個固定的電壓：

V+=M_VDD×10/（33+10）（V）

負(fù)端接上一個采樣電壓，即恒流電路中采樣電阻上的電壓（V-）。P1.2為比較器的輸出端。當(dāng)V+>V-的時候P1.2輸出高電平，當(dāng)V+

3 控制電路的軟件系統(tǒng)

3.1 軟件系統(tǒng)流程

在MCU上電或者復(fù)位之后，MCU必須起動比較器，比較器是整個硬件電路的關(guān)鍵，要起到恒流的作用必須要開啟比較器。還有一系列的系統(tǒng)初始化MCU的IO口的配置，在一系列的初始化以后，進(jìn)入到充電系統(tǒng)循環(huán)。（見圖3）

3.2 充電結(jié)束的條件

由圖3可以看出來，充電結(jié)束有3個條件，只要滿足其中的一個條件，充電過程就會結(jié)束。充電結(jié)束只要達(dá)到充電結(jié)束的條件，需要立即停止充電，這個時候，需要檢測的就是電池是否拔出，如果電池沒有拔出，不允許重新循環(huán)充電，這樣會損傷電池。檢測電池是否拔出，可以檢測外部的電壓，通過ADC采樣電池電壓，如果電池還在測存在電壓，如果電池不存在，則電池電壓很小。

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