一種具有充電功能的交直流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 強(qiáng) 蘭 陟 邢陽輝 王 麗

(國家康復(fù)輔具研究中心)

一種具有充電功能的交直流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 強(qiáng) 蘭 陟 邢陽輝 王 麗

(國家康復(fù)輔具研究中心)

介紹了一種具有充電功能的交直流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方法,分別對交直流轉(zhuǎn)換電路、直流電壓轉(zhuǎn)換電路和電池充電電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明：在有220V(AC)或電池的情況下，電源都可以穩(wěn)定輸出24、12、3.3V直流電壓。

交直流轉(zhuǎn)換電路 電壓轉(zhuǎn)換 輸出電壓

交直流轉(zhuǎn)換電路為直流電機(jī)驅(qū)動電路提供輸入電源?，F(xiàn)有的交直流轉(zhuǎn)換電路在實(shí)際使用過程中，在220V(AC)通斷的連續(xù)性上不穩(wěn)定，而且在受到負(fù)載電流沖擊時(shí)容易出現(xiàn)異常，應(yīng)該在電路設(shè)計(jì)中增加抗電壓跌落功能模塊，以增強(qiáng)控制的可靠性[1]。另外，傳統(tǒng)充電方式是通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，然后利用能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能[2]，這樣流經(jīng)電路的電流會因能量轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生損耗。王金玉等采用全橋電磁隔離式直流變換電路結(jié)構(gòu)和高頻雙向PWM控制策略，提高了電路輸出端的調(diào)壓范圍，起到了穩(wěn)定電壓的作用[3]。陳華鋒等提出由兩級變換電路組成級聯(lián)電路的設(shè)計(jì)方案，擴(kuò)大了電壓的輸入范圍，但電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜[4]。設(shè)計(jì)電源電路時(shí)提高其抗干擾能力和運(yùn)行穩(wěn)定可靠性是最重要的[5]。為了實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)驅(qū)動時(shí)更加穩(wěn)定可靠的目的[6]，解決輸入電壓不穩(wěn)定的難題，并簡化電路設(shè)計(jì)，筆者在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)，在沒有220V(AC)電壓的情況下，依靠電池工作穩(wěn)定輸出。在電路設(shè)計(jì)方面選擇用比較器比較輸出的方法，解決電壓穩(wěn)定性問題。在電池充電方面提供了一種比較電壓的方式判斷充電電路，以有效保護(hù)電池，使充電功能更加高效。

1 電源整體設(shè)計(jì)

具有充電功能的交直流轉(zhuǎn)換電路，包括了交流轉(zhuǎn)直流電路、電池充電電路和直流電壓轉(zhuǎn)換電路(圖1)，其中交流轉(zhuǎn)直流電路用于將交流電轉(zhuǎn)換為第1預(yù)定直流電壓輸出(24V)，該直流電壓的輸出端與充電電路的輸入端連接，為充電電池充電；該輸出端還連接直流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端，該直流電壓轉(zhuǎn)換電路將該第1預(yù)定直流電壓轉(zhuǎn)換為第2預(yù)定直流電壓(12V)和第3預(yù)定直流電壓(3.3V)后輸出。

圖1 具有充電功能的交直流轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)框圖

2 交流轉(zhuǎn)直流電路

如圖2所示，交流轉(zhuǎn)直流電路是由工頻變壓器(型號TTO-1-632-00)高電壓端的兩個(gè)端子接220V(AC)市電電源，變壓器低電壓端的3個(gè)端子分別連接繼電器(型號AZ943S)和由4個(gè)二極管組成的整流電路。變壓器低壓側(cè)第1端子AC0端接繼電器AZ943S的常閉觸點(diǎn)(第3腳)；變壓器低壓側(cè)中間端子AC1端接繼電器AZ943S的常開觸點(diǎn)(第2腳)；變壓器低壓側(cè)第2端子AC2端連接到整流電路中二極管D3的正極；繼電器AZ943S的開關(guān)觸點(diǎn)，即第1腳連接到二極管D4的正極；二極管D5正極接地，負(fù)極連接二極管D3的正極；二極管D6正極接地，負(fù)極連接二極管D4的正極；二極管D3和二極管D4負(fù)極相連，作為整流電路的輸出端，輸出24V(DC)的電壓。

圖2 交流轉(zhuǎn)直流電路

LM358是遲滯比較器，包括兩組運(yùn)算放大器U1A和U1B，U1B通過LM358的第5、6、7腳工作，連接U1B的50kΩ電阻R7是正反饋電阻[7]，該電阻兩端連接U1B的第5腳(正極輸入端)和第7腳(輸出端)，用于保證第7腳輸出足夠的電壓，以觸發(fā)Q3(Q3為三極管9013)。R10為50kΩ電阻，一端接6V(DC)電壓，6V(DC)電壓是電池充電電路中12V(DC)電壓經(jīng)過電阻分壓后得到的，R10的另一端接U1B的第5腳，用于保護(hù)LM358的第5腳，也即起到限流作用，限制流入第5腳的電流的大小，避免燒壞U1B。R15、R16、R19和R20是分壓電阻，阻值分別為50、15、50、20kΩ，R19一端接整流電路輸出端24V(DC)電壓、另一端與R15串聯(lián)后接LM358的第6腳(負(fù)極輸入端)；R20一端接地、另一端與R16串聯(lián)后接LM358的第6腳；R15、R16、R19和R20用于將整流得到的24V(DC)電壓分壓，輸入LM358的第6腳。CE1和CE2為100μF/20V電解電容,作用是濾波。CE1正極接U1B的第6腳，負(fù)極接地；CE2正極接Q3基級，負(fù)極接地。U1B的第7腳是輸出端，接4.7kΩ電阻R11，R11另一端接Q3的基極。Q3的集電極接繼電器電磁線圈的負(fù)極第5腳，Q3的發(fā)射極接地。繼電器的電磁線圈正極第4腳接整流輸出電壓24V(DC)；二極管D7連接繼電器的電磁線圈正負(fù)極第4腳和第5腳，D7的可選型號為1N4148，D7正極接繼電器RLY1的第5腳，負(fù)極接繼電器RLY1的第4腳，D7是保護(hù)二極管。正常通電情況下，電壓24V(DC)加到D7負(fù)極，D7處于截止?fàn)顟B(tài)，所以二極管在電路中不起任何作用，也不影響其他電路的工作。電路斷電瞬間，繼電器兩端產(chǎn)生下正上負(fù)且幅度很大的反向電動勢，這一反向電動勢正極加在二極管正極上，負(fù)極加在二極管負(fù)極上，使二極管處于正向?qū)顟B(tài)，反向電動勢產(chǎn)生的電流通過內(nèi)阻很小的二極管D7構(gòu)成回路。二極管導(dǎo)通后的管壓降很小，這樣繼電器兩端的反向電動勢幅度被大幅減小，達(dá)到保護(hù)驅(qū)動的目的。

交流轉(zhuǎn)直流電路的工作原理是：采用TTO-1-632-00型工頻變壓器將220V(AC)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備能使用的24V(DC)電壓，其中4個(gè)二極管D3、D4、D5和D6起整流作用。

LM358用于比較轉(zhuǎn)換后的24V(DC)電壓是否過高。具體比較過程為：U1B通過LM358的第5、6、7腳工作，第5腳和第6腳的輸入電壓進(jìn)行比較，如果24V(DC)電壓過高，則第7腳輸出高電平，觸發(fā)9013二極管Q3，使繼電器常開觸點(diǎn)閉合，從而改變變壓器低壓側(cè)次級線圈的匝數(shù)(降低次級線圈的匝數(shù))，使輸出電壓降低。

因?yàn)?20V(AC)電壓是市電，可能會不穩(wěn)，如果220V(AC)市電過高，那么輸出的24V(DC)也會相應(yīng)升高，繼電器就會動作，將輸出匝數(shù)改變(減少)，輸出電壓也就降下來了，保證輸出直流電壓不會過高。

3 電池充電電路

圖3為電池充電電路，12V(DC)電壓輸入端連接的是通過直流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換24V(DC)電壓后所得。U1A通過LM358芯片的第1、2、3、4、8腳工作，其中第8腳為電源端，第4腳接地。第8腳接12V(DC)電壓輸入端，用于供電，電容C1(0.1μF)的作用是濾波，一端接12V(DC)電壓輸入端，另一端接地。R2、R4是分壓電阻，阻值分別是47.0、4.7kΩ，R2一端接12V(DC)電壓輸入端，另一端接R4，R4另一端接U1A的第3腳(正極輸入端)；R9、R14是分壓電阻，阻值都是47.0kΩ，R9一端連接U1A的第3腳，另一端與R14相連，R14的另一端接地。根據(jù)分壓原理，由R2、R4、R9、R14的阻值計(jì)算出U1A的第3腳的電壓值是6V(DC)。U1A的第2腳(負(fù)極輸入端)接電阻R17(25.0kΩ)，R17另一端接電阻R18(4.7kΩ)，R18另一端接地；U1A的第2腳還連接電阻R12(50kΩ)，R12另一端接電阻R13(50kΩ)，R13另一端接充電電池P1的正極。U1A的第1腳為輸出端，U1A的第1腳和第8腳之間連接正反饋上拉電阻R5(100kΩ)。U1A的第1腳接電阻R8(100kΩ)，R8另一端接1N4148二極管D8的正極，D8的負(fù)極接9013三極管Q2的基級；Q2的發(fā)射極接地。24V(DC)電壓通過兩個(gè)級聯(lián)的1N4007二極管D1、D2與TIP42三極管Q1的基極相連，24V(DC)接D1的正極，D1的負(fù)極接D2的正極，D2的負(fù)極接Q1的基極。D2的負(fù)極和電阻R3(10.0Ω)相連，R3的另一端接Q2的集電極。R1是5Ω/2W水泥電阻，R1一端接電壓24V(DC)輸入端，另一端接Q1的集電極。Q1的發(fā)射極接10Ω/2W水泥電阻R6，R6另一端接1N5819二極管D10的正極，D10的負(fù)極接充電電池P1的正極。

圖3 電池充電電路

24V(DC)電壓接10A02二極管D9的正極，D9的負(fù)極為VCC引出端，為直流電壓轉(zhuǎn)換電路提供電源。D9的負(fù)極和10A02二極管D11的負(fù)極相連，D11的正極和充電電池P1的正極相連，充電電池的負(fù)極接地。

電池充電電路的工作原理是：24V(DC)電壓輸出端接D1、D2是為了降電壓，用于保護(hù)Q1基級，由于一個(gè)二極管的降壓能力不夠，本電路將兩個(gè)二極管串聯(lián)，每個(gè)二極管降壓值為二極管的導(dǎo)通電壓0.7V。

R5是正反饋上拉電阻，防止LM358的第1腳輸出的驅(qū)動能力不夠，用以增加LM358的第1腳輸出電壓。R1和R6電阻功率較大，是為了在給電池充電時(shí)進(jìn)行限流。電阻R2、R4、R12、R14與電阻R12、R13、R17、R18是起分電壓作用的，R12和R14電阻串聯(lián)是為了方便調(diào)節(jié)阻值。

通過二極管D9、D11隔離，電池P1與24V(DC)電壓輸出端隔離，通過這種電路設(shè)置，在直接使用連接220V(AC)電源時(shí)，由于24V(DC)輸出電壓會略高于電池正極的輸出電壓，因此只有24V(DC)電壓輸出端輸出電流，而電池輸出被D11阻斷，能夠避免和電池混用，防止電池電流回流。這種隔離電池的設(shè)計(jì)，也能夠避免24V(DC)電壓輸出直充電池。在不使用220V(AC)電源時(shí)，電池作為電源供電。

U1A及其外圍電路的作用是等到電池電壓小于6V(DC)時(shí)才能給電池充電，否則不充電。R2、R4、R9、R14是分壓電阻，根據(jù)分壓原理得到6V(DC)電壓，給U1A的第3腳提供參考電壓；R12、R13、R17、R18也是分壓電阻，根據(jù)分壓原理得到5.5V(DC)電壓(實(shí)際上由于阻值的精度和實(shí)際電壓要高于24V(DC)，因此實(shí)際計(jì)算值可以近似認(rèn)為是6V(DC))，給U1A的第2腳提供比較電壓。

當(dāng)電池電壓小于24V(DC)時(shí)，遲滯比較器LM358的第1腳輸出高電平，經(jīng)過R5增強(qiáng)電壓、R8的保護(hù)作用(限流)和D8的隔離后，使Q2導(dǎo)通。D8起到防止反向電壓倒灌運(yùn)算放大器的作用。Q2導(dǎo)通后，使Q1的基極降低電平，使Q1導(dǎo)通。Q1導(dǎo)通后，24V(DC)電源經(jīng)過限流電阻R1和R6，在經(jīng)過D10的保護(hù)隔離后，直接加到電池的正極上，這樣就可以給電池充電了。D10是為了防止電池電壓倒灌電源，電池電壓加到Q1的集電極有可能對三極管造成損害。

4 直流電壓轉(zhuǎn)換電路

圖4所示為直流電壓轉(zhuǎn)換電路，VCC引出端連接濾波電容C6(1μF)，C6的另一端接地。R21為1Ω電阻，R21一端接VCC端，另一端接S1D二極管D12的正極，D12負(fù)極接濾波電容C3(100nF)，C3另一端接地。D12負(fù)極連接U2的第2腳(電壓輸入端)，U2是LM25017降壓轉(zhuǎn)換芯片。U2的第2腳和第4腳(導(dǎo)通時(shí)間控制端)通過360kΩ電阻互連。U2的第2腳連接電解電容CE5(100μF/50V)的正極，CE5負(fù)極接地。D12負(fù)極連接360kΩ電阻R23，R23另一端接U2的第3腳(欠壓比較器的輸入端)和電阻R26(91kΩ)，R26的另一端接地，U2的第1腳(接地端)接地，U2的第7腳(自舉電容器接腳)和第8腳(SW轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn))通過10nF電容C2相連，U2的第8腳和100μH電感L1相連，L1另一端和12kΩ電阻R24相連，R24的另一端和U2的第5腳(反饋端)相連。U2的第6腳(內(nèi)部電路穩(wěn)壓輸出端)與1μF電容C7相連，C7的另一端接地。U2的第5腳與1.4kΩ電阻R25相連，R25的另一端接地。U2的第5腳與1nF電容C8相連，C8的另一端與L1和R24的連接點(diǎn)相連，該連接點(diǎn)的電壓值為芯片的計(jì)算輸出電壓12V(DC)，12V(DC)連接電解電容CE4(100μF/25V)的正極，CE4負(fù)極接地。U3為LP2992AIM5-3.3芯片，用于把12V(DC)電壓轉(zhuǎn)換成3.3V(DC)電壓。U3的第1腳(電壓輸入端)和第3腳(片選端)直接相連并連接L1和R24的連接點(diǎn)，第1腳連接電容C9(100nF)，C9的另一端接地。U3的第2腳(接地端)接地，U3的第4腳(旁路端)連接旁路電容C4(100nF)，C4的另一端接地，第5腳(電壓輸出端)輸出的3.3V(DC)電壓連接電解電容CE3(100μF/25V)的正極和電容C5(100nF)，CE3負(fù)極和C5的另一端接地。

U2的輸出電壓Vout的計(jì)算式為：

U2的第3腳UVLO是欠壓比較器的輸入端，當(dāng)總線電壓VBUS

可見，當(dāng)U2的第3腳輸入的電壓小于6.07V時(shí)，芯片U2不工作。

采用降壓穩(wěn)壓芯片將24V(DC)轉(zhuǎn)換成12V(DC)和3.3V(DC)，提高了電源的工作效率和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

具有充電功能的交直流轉(zhuǎn)換電路在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了交直流電路的轉(zhuǎn)換，滿足實(shí)際需求，解決了電池過充放電和市電不穩(wěn)定的問題，使用方便，輸入輸出參數(shù)滿足性能要求，對其他電器和電網(wǎng)沒有影響。電路中避免使用大功率電阻或高電壓穩(wěn)壓管，其他元件均為常用件，對耐壓和功率基本沒特殊要求。電路的過電流保護(hù)設(shè)計(jì)，避免了意外短路燒毀原件。電壓轉(zhuǎn)換電路的串聯(lián)線性穩(wěn)壓，可輸出較大電流。電路結(jié)構(gòu)緊湊，布線簡單，省去了復(fù)雜的電路變換，直接采用電阻分壓檢測相比較，功耗較低，而且電壓使用范圍比較寬，工作效率高和穩(wěn)定性好，特別適用于需要穩(wěn)壓充電的小型電氣設(shè)備上。

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DesignandImplementationofAC/DCConversionCircuitwithChargingFunction

WANG Qiang, LAN Zhi, XING Yang-hui, WANG Li
(NationalResearchCenterforRehabilitationTechnicalAids)

TH89

B

1000-3932(2017)04-0401-06

2016-07-28，

2016-12-30)

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王強(qiáng)(1982-)，助理研究員，主要從事控制理論與控制工程、電工電子技術(shù)的研究，yebif@163.com。