【优品论文】-《基于 UCC3809及UC3909的电动自行车充电器》

基于 UCC3809 及 UC3909 的电动自行车充电器摘要：本文介绍了蓄电池充放电机理；UCC3809 及 UC3909 的内部结构，以及基于 UCC3809 及 UC3909 设计的一种高性能充电器的电路原理、参数确定、及整机调试过程。并提出了以绢流充电方式消除电池极板硫化现象的方法。Abstract:This article introduces the principle of battery charging and discharging .And the inner structure of UCC3809 and UC3909.As well as the circuit principle parameter setting and testing process of the high property charger on base of UCC3809 and UC3909.And a way of trickle charging to remove the vulcanization on the battery plate is suggested here.关键词：铅酸蓄电池；充电器；UCC3809；uc3909；.Key Words: Lead Acid battery；charger；UC3809；UC39091. 引言：目前已商品化的电动自行车绝大多数是使用密封式铅酸蓄电池。铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解掖中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断变大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸蓄电池充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电不足或过放电，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。蓄电池设计寿命都在8 年以上，但电动自行车蓄电池往往 23 年就会损坏，其原因主要是因为充电不合理造成其寿命缩短的。有鉴于此，笔者设计制作了一款四阶段恒流限压式密封铅酸蓄电池充电器。2充电器原理：充电器原理图如图 1 所示该充电器利用 UCC3809 和 UC3909 构成一种四段式充电器，其目的是对 48V 蓄电池组（4 块串联的 12V20Ah 蓄电池）尽可能更快更安全的充电到其额定容量，同时对长期充电不足或过放电蓄电池进行绢流充电，以对蓄电池起到维护和修复的作用。根据蓄电池厂商数据，蓄电池组以Ibulk4A 恒流充电到 Voc58.8V 后转为恒压充电，这时充电电流开始下降，当电流下降到 Ibulk 的 10，即 IOCT400mA 时，转为浮充状态，浮充电压为Vfloat55.2V。当蓄电池组放电到电压下降为 VCHGENB42V 时为放电终止电压，此电压也做为恒流起充门限电压，当电池组电压低于 VCHGENB时，说明蓄电池被过放电或长期充电不足品质变劣，这时该充电器就会以 ITC80mA(I OCT的 2)的绢流对蓄电池组进行充电，以消除极板硫化现象，从而对蓄电池起到维护及修复作用。充电曲线如图 2 所示。2.1 原边电路工作原理原边电路由 UCC3809 组成，其内部结构如图 3 所示，包含方波振荡器；误差比较器，5V 基准电压源；脉宽调制电路；输出驱动电路以及软启动电路等。允许市电波动范围+10%25；这样 C1端直流变化范围为 198V340V。电路开关频率及最大占空比由 RT1, RT2 和 CT.决定，C SS决定软启动时间。R CS, R1, R2, R3, CZB 以及光耦 OI-B 构成反馈电路，C 3是芯片内部参考电源的旁路电容，R 4, D1 和 C2构成 UCC3809 供电电源。RSN1、C SN1、 RSN2、C SN2和 DSN构成铃流及 dV/dt 拟制电路。2.2 副边电路工作原理副边电路由 UC3909 及其外围元件构成，UC3909内部结构如图 4。其内部包括欠压保护电路；充电状态逻辑控制电路；电流检测放大器；电压误差放大器；电流误差放大器，方波振荡器；脉宽调制比较器；温度补偿放大器；以及可提供 100mA 集电极开路输出驱动电路等。UC3909 为 20 脚双列直插芯片如图 5 所示，其管脚定义为：CA-：电流误差放大器反相输入端；CAO：电流误差放大器的输出端；在内部与 PWM 比较器的反相输入端相连；CS-，CS+：它们分别是电流检测放大器的反相输入端和同相输入端。该放大器为 5 倍固定增益放大器电压范围为-250mV+VCC；CSO：电流检测放大器的输出端；CHGENB：比较器输入端，当检测到电池电压过低且使充电器位于涓流充电状态时，充电器的使能比较器迫使电压误差放大器输出端呈高阻态；GND：参考接地端；OVCTAP：恒压充电电流检测端，当恒压充电电流减小到比浮充门限电平低时，控制电路转入浮充电状态；OSC：内部振荡器外接电容端，对地接一个电容器 CT，斜坡在接近于 1.0V 到 3.0V 之间振荡。OUT：PWM驱动器输出端；R10：用来设置相应电压温度补偿放大器的输入端。从该点对地连接一个 10K 的电阻；Rset：外接一个对地电阻以设置 PWM 比较器恒流充电电流和涓流充电电流门限值，充电电流约为1。75/Rset mA .绢流充电电流约 0。115/RsetmA ；RTHM ：对地接一个 10K 热敏电阻，并将该电阻粘贴到电池表面。温度补偿放大器常温输出 2.3V,并以-3.9mV/温度系数呈指数变化。推荐使用 L1005-5744-103-D1 型号热敏电阻；STAT0：集电极开路输出，做为充电状态编码的第一个编码位；STAT1：集电极开路输出，做为充电状态编码的第二个编码位，充电状态编码表如表 1 所示表 1 充电状态编码表充电状态 STAT1 STAT0绢流充电状态 0 0恒流充电状态 0 1恒压充电状态 1 0浮充电状态 1 1STATLV：当充电器处于浮充状态时，这位呈高电平；VA-：电压误差放大器的反相输入端；VAO：电压误差放大器输出端，最高电压被箝位到 5V；VCC：芯片的电源输入端。芯片的电压范围为 7.5V 到40V，而且需接一个 1nF 的旁路电容；VLOGIC：精确参考电压，需接一个 0.1nF 的旁路电容。由 UC3909及其外围元器件组成副边电路。D4 和 C4 为其提供工作电源。当 充电器失电时，Q2 、Q3、R6 和 R7 将 断开 与 电 池 相 连 的 充 电 回 路 。 由 RS1、R S2 、R S3和 RS4组成分压回路，来决定各种充电状态转换的所有门限电压值。由 ROVC1 和 R OVC2 构成分压器用来设置恒压充电转换到浮充电状态的门限。R CS为充电电流检测电阻，RSF1、R SF2、C SF构成电流检测放大器频率补偿电路，以拓展其通频带。R ST设置充电电流及绢流充电电流。3参数确定31 脉冲变压器参数确定注：论文中将用到以下几个变量：上划线 最大值；下划线 最小值； 平均值（ 1） 脉 冲 变 压 器 变 比 的 确 定脉冲变压器变比由式 确定spikeSPisdcps VNV其中：Vps：最大的开关峰值电压(开关管选用击穿电压为 900V50A 的 NMOS 功率开关管，为安全起见，限定开关峰值电压为 700V)；Vdc：输入滤波器 C1 电容端最大直流电压（340V）；Vis：最大的次级绕组导通电压（58.8V +1V 二极管导通压降）；Np/Ns：脉冲变压器变比；Vspike：反射电压（Vdc 的 30%）。根据这些数值，取 Np/Ns3 时，最大将得到一个 621V 开关峰值电压。这对 900V 的功率开关管是安全的。（ 2） 功 率 计 算脉 冲 变 压 器 最 大 输 出 功 率 要 求 为 ：其 中 ： Pout 是 输 出 功 率 ； Iout 是 最 大 输 出 平 均 电 流 （ Ibulk 4A） ； Vbatt 电 池 组 的 最 高 电 压 （ 常温 时 为 58.8V） ； Vdiode 的 整 流 二 极 管 的 导 通 的 电 压 （ 1V） 。脉 冲 变 压 器 输 入 功 率 是 输 出 功 率 加 上 损 耗 功 率 。 保 守 估 计 是 （ 基 于 整 流 管 效 率 可 达 80%） ：0.OUTIN在此应用中，输出功率为 240W，输入功率 300W。（3）线圈、最大“导通”和“复位”时间、峰值电流和开关频率的确定开关频率取 100KHz 对 UCC3809 为最佳选择。确定电路工作在不连续状态，最大的开启与复位时间之和不得超过转换周期的 90%。根据以下公式进行计算确定：（1） ； （2） ； （3） ； （4） ； （5） ； （6）其中：Ip 是初级线圈的峰值电流；Lp 是初级电感量；Is 是次级线圈的峰值电流； Ls 是次级电感量；on 是导通时间；rst 是复位时间；Fs 是转换频率代数处理之后，得：( 7 )由公式得，on 将小于 2.53us 而 rst 将小于 6.47us。同理，将式（1）和（2）转化之后，( 8 )Lp 大约是 42uH ，式（4）中的 Ls 大约是 4.7uH。式(2)中的初级峰值感应电流为 11.93A。(3)中的次级峰值感应电流为 35.78A。（4）感应电流均方值周期性三角波脉冲电流均方值是：（9）3RMSPIT其中：Ip 是峰值电流值； 是基本的脉冲宽度；T 是波形周期。初级和次级均方值电流分别是 3.5A 和10.38A。（5） 磁芯和绕线的选择和计算高频变压器磁芯采用北京 798 厂生产的 R2KB 磁芯 PQ50/50，其有效中心柱截面积为 Ae3.1416Cm 2，其磁芯窗口面积为 AQ4.18 Cm2,因此其功率容量为 APA eAQ13.2，其磁通密度为 Bm1500GS。电感系数可表示为：其中：L 是电感值（单位是亨利） ；N 是电感线圈的匝数； 是 N 匝线圈磁通量；I 是感应线圈的的电流（单位是安培） 。 等于 AeB，其中的 Ae 为感应器的有效面积，B 是磁通量密度。（10）如果 B 限制在 150mT （接近滚降曲线 B-H），Np 必须大于等于 18 匝。如果 Np 设为 24 匝，那么 Ns 为 8 匝。 实际绕制脉冲变压器时，初级选用 0.5 英寸宽和 0.007 英寸厚的铜箔带。次级选用 0.44mm 高强漆包线绕制，经过大量试验，磁芯开 2.8cm 气隙时，电源工作稳定。为了满足绝缘的要求，在初级电路和次级电路绕组间使用三层的绝缘带。为 UCC309 和 UC3909 提供电源的两个绕组，其次级电压为：（11）botbotdciodePNVV对 UCC3809，电源电压在 10.1V 到 15.5V 之间。UC3909 的电压在 15.5V 到 23.75V 之间。因此分别选1 匝和 2 匝，用 0.38mm 高强漆包线即可。3. 2 其他参数确定（1）UCC3809 外围元件确定为了使磁芯不会饱和，初级电路可以通过调整一些电阻值对初级电流加以限制。如果这个状态被选定在 100mT 时，由式（10）知，初级电路峰值电流 Ip 必须小于 17.9A。在这个电流达到 17.9A 时，UCC3809 FB 管脚的电压必须为 1V。当穿过光耦的反馈电流为零时，必须满足下式：（12）0.19.1723RCS此外，为了使次级电路可以控制最小获得脉冲宽度，R1 上电压为 3.0V 时 UCC3809 FB 脚电压为1V；且感应电阻 Rcs 上没有电流。Rcs 的值很小在计算中可忽略。即：（13）32.01.如 R3 选为 1K，R2 则为 2K。选择 R1 时必须考虑到光耦 H11A817A，其电流传输比为 80%到 160%，而且经过二极管的电流范围为 2mA-30mA 时完全呈线性。将 R1 调在 220 光耦将进入线性范围。这时 Rcs为 0.08 欧，电源全部负荷分散在 Rcs 上，功率仅为 450mW，所以 Rcs 应选 1W 的电阻。在 UCC3809 的 FB管脚，需要一个电容。这个电容是用来滤掉穿过 Lp 产生的电流尖脉冲。在这里，选择的电容器 CZB 就是起这个作用的。由 220PF 的电容值可得出一个时间常数值为 0.15us。电容 Ccs 和电阻 Rcs，也能削弱大量电流尖脉冲。在给 Czb 和 Ccs 定值时，需考虑的是：其值过大，输出端出现滞后时间过长；如果将它们的值定得太小，可能导致过早的脉冲终止和不稳定的充电电压。同时，Czb 的值越大，最小可获得的脉冲宽度将越宽。UCC3809 具有可变的最大开启时间和最小的关闭时间。组件 RT1，RT2 和 CT 决定了这些时间。因为 on 在整个周期的最大值是 2.53us，一个周期 T 是 10us，所以 off 为 7.47us。由 UCC3809数据表可得：及 （14）169.0TonRC 2069.TfRC将 CT 调在 1nF，RT1 为 3.67K，RT2 为 10.83K。软启动时间由 Css 控制。Css 是由 6uA 的电流源充电的。当 UCC3809 的 SS 管脚从 0V 变到 0.7V，UCC3809 的输出为高阻态。当电压从 0.7 变化到 1.7V，输出端的占空比将从 0 增加到最大值。当 Css 值为 47nF 时，软启动时间为 7.5ms。该电容选择过大会造成启动困难或不启动。R4 为 UCC3809 提供了启动电流。这个电流至少为 100uA。在最小直流输入电压时，R4 为680K 电路可以为 UCC3809 提供一个 290uA 的电流。R G是一个较低值的电阻，选 10 用来阻止功率MOSFET 开关转换时的抖动。（2）UC3909 外围元件确定UC3909 内部电流检测放大器没有足够的带宽去处理 100KHz 信号。为突破这个局限性，电流检测电阻器出来的信号可经过一个简单的 R-C 电路(RSF1 和 CSF)给电流检测放大器拓展大约 20KHz 的频带。其插入损耗为-3dB。RSF2 为电流检测放大器提供一个 2.3V 的偏置电压。UCC3909 内部的电流检测放大器是个能提供增益为 5 倍的、偏置电压为 2.3V 的微分放大器。为防止放大器进入饱和区， CA和 CA+的电压不得高于 400mV。具此，RCS 选 20m，1.5W 的电阻，最大电流时提供 80mV 的电压。恒流充电电流取决于RG1 和 RG2。当充电器工作在恒流充电时，电压误差放大器将停止工作 ，及 VAO 约为 5V。电流误差放大器使用时，必须确保 CA-的电压为 2.3V。大电流充电电流为 4.0A，RS 上的平均电压为：VRS=4.00.0280mV （15）电流检测放大器的输出电压为：VCSO=2.3-5VRS=1.9V （16）CA-脚的总电流为：（17）12502.43.5GGR如果 RG2 取 10K，那么 RG1 就为 1.47K。当 UC3909 在涓流充电状态时，输出电压误差放大器（VAO）将工作于高阻态，涓流控制电流直接流入 UC3909 的 CA-端。涓流控制电流的大小为 UC3909 的 RSET 管脚电流的 5%。当 VAO 处于高阻态时，涓流控制电流只能流过电阻 RG1。因此，涓流的电流为：（18）SGTROLTICKENTRILE51涓流充电的电流值一般设定为 80 mA，这个电流值将在 CSO 管脚产生个 2.292V 的平均电压。涓流控制电流通过电阻 RG1 后变为 5.4uA。而流出 RSET 管脚后输出电流为 108uA，RSET 管脚的电压为 2.3V，所以在电流为 80 mA 的涓流充电条件下，电阻 RSET 的值为 21.5K。过充电流(IOCT)是 UC3909 从恒压充电状态转换到浮充状态的转换电流。当 OVCTAP 脚的电压上升到 2.3V 时，过充状态将转变到浮充状态。充电模式的转换发生在：（19）20153.VCSOTVRI如果 ROVC2 取 100K，ROVC1 取 1.47K，即 IOCT 为 400mA。浮充电压的大小取决于 RS1, RS2,RS3 和 RS4。处于浮充状态时，UC3909 内部的晶体管 STATLV 处于关断状态。当电池电压高于浮充电压时，VA-脚电压将上升到 2.3V 。浮充电压为：（20）321.SFLOATRV如果 RS3 取 10.0K，VFLOAT 为 55.2V，RS1 和 RS2 的和将为 230K。当充电器在恒压充电状态时，恒压电压（VOC）将加于电池两端。在此状态，VOC 为：（21）4321/.SSOCRV其中 VOC 为 58.8V，可得 RS4 为 143.85K。当 UC3909 检测到其 VCHGENB 脚高于 2.3V 时，充电将进入恒流充电状态。 的值为：CHGENB（22）4321/.SSRV其中 为 42V，则 RS2 为 3.76K，则 RS1 为 226.24K。CHGENBV4结束语电路设计好后，进行了制作，在调试过程中主要是脉冲变压器对电路工作影响较大，原边电感过大时，输出电流会下降，过小时又会使开关管损耗增加，可通过调节磁芯气隙及原边绕组数来调节，经过大量试验，磁芯气隙为 2.8cm 时电路工作达到最佳；启动电阻 R4过大时电路启动不了，过大时又会使UCC3809 烧毁，一般控制启动电流在 300A 以内即可；NMOS 功率开关管可用两只管子并联使用，击穿电压要大于 800V，散热