3V电池充电器的电路课程设计.doc

西京学院机电工程系毕业设计序言社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。在人们的生产、生活中，各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，与人们的工作、生活的关系日益密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系统来处理和存储。而各种用电设备都离不开可靠的电源，如果在工作中间电源中断，人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失。对于由交流供电的用电设备，为了避免出现上述不利情况，必须设计一种电源系统，它能不间断地为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源。为此，以安全和操作为目的的备用电源设备上都使用充电电池。这样，即使电力网停电，也可利用由充电电池构成的安全和操作备用电源，从容地采用其他应急手段，避免重大损失的发生。而对于采用充电电池供电的用电设备，从生产、信息、供电安全角度来说，充电电池在系统中处于及其重要的地位。特别是镍氢电池具有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。基于这些特性，所以镍氢电池得到了迅速的发展和广泛的应用。镍氢电池充电器是为镍氢充电电池补充能源的静止变流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。本论文从充电器的结构和要求，充电器的原理，充电器的电路设计，3v镍镉电池充电过程以及充电器保护等方面，多角度地阐述了充电器技术发展和应用。由于本人水平有限，论文中难免存在疏漏之处，敬请老师批评指正。第一章 充电器的简介充电器通常指的是一种将交流电转换为低压直流电的设备。充电器在各个领域用途广泛，特别是在生活领域被广泛用于手机、相机等等常见电器。充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景。充电器有很多，如铅酸蓄电池充电器、镉镍电池充电器、镍氢电池电器、锂离子电池充电器、便携式电子设备锂离子电池充电器、锂离子电池保护电路多功能充电器、车充电器等。 1.1充电器的构成及分类1.1.1充电器的构成1、外壳 2、输入线、输出线 3、线路板、散热片、各种电子元器件（电容、电阻、单片机、光藕、mos管、二级管、三级管、开关管图1-11.1.1充电器的分类1.充电器按能源使用方式分类 普通充电器：用普通家庭用电等通过变压器提供能源。 太阳能充电器：利用太阳能面板收集太阳能。 线充电器：利用电磁耦合等原理 。手摇充电器：利用人力。2.充电器按使用产品的种类分类 手机充电器、 笔记本充电器、 电动车充电器 、大型充电机等、 相机充电器、 电动玩具充电器。3.充电器按使用方式分类高级商务充：商务旅行充电器，充电速度快而且十分安全，价格较一般充电器稍高。 座式充电器：外型独特、新颖美观、携带方便，适充容量200-3000mah的锂离子(li-ion)镍氢(ni-mh)手机电池充电，内置智能识别电路，能自动转换充电器输出极性以适用电池正负极，充电效果极佳，是家居/旅行时手机的理想伴侣。 usb充电器：带usb输出接口，保给mp3/4、数码相机等充电。 线式充电器：一般手机的直充。车载充电器：以车上通用电源为供电装置的充电器。1.3充电器的结构框图早期的充电器是没有处理器的,它主要由充电器集成电路及电源部分组成，其内部结构较复杂，引脚也较多。一般的功能较完善的充电器结构框图如图1-2 aa线右边所示。图1-2 充 电 器 结 构 框 图第二章 充电器电路设计2.1电池充电控制芯片的选择2.1.1 max846a芯片的简单介绍1.max846a的引脚功能maxim公司生产的max846a是一种低成本、多功能的电池充电控制器，采用16引脚的qsop封装形式，可对锂电池、镍氢电池、镍镉电池进行充电。max846a的引脚排列如图4-1所示，主要引脚功能如下： dcin：外部直流电源输出端，3.720v。 vl：3.3v、20ma 、1线形调节器输出端。图2-1 max846a的引脚排列图 cc1：电流调节环补偿端。 ccv：电压调节环补偿端。 vset：悬浮电压参考调整输入端。 iset：电流设置输入及监控端。 offv：电压调节环禁止端。 cell2：编程充电电源数目端。 batt：电池输入端。 cs：电流源放大器高压输入端。 cs：电流源放大器低压输入端。 drv：外接三极管基准门控输入端。2.max846a的内部结构max846a多功能电池充电控制器由3.3v高精度、低压差线性稳压电源以及高精度电压基准源、电压电流调节器三部分构成。线性稳压电源输出电压vl为基准电压的两倍，可为外部负载提供20ma的电流。低压差稳压电源有短路保护功能，pwrok(power-ok)为微控制器提供复位信号并可控制镍氢电池的充电电流。高精度电压基准源为镍氢电池提供精确的浮充电压，它与一个精度为2%的20k电阻相连接，使浮充电压可以通过一外部电阻进行设置。外部电阻应具有1%的精度，因为外部电阻直接影响浮充电压的精度，而浮充电压的精度直接对镍氢电池的寿命及容量产生影响。电压电流调节器由高精度衰减器、电压环路、电流环路和电流检测放大器组成。通过对衰减器的设置使输出电压稳定在一节镍氢电池电压或两节镍氢电池电压的水平。电流检测放大器用于检测镍氢电池的高端电流，它实际上是一个跨导放大器，可将外部限流电阻rcs两端的电压转换成电流，并将此电流作用于外部负载电阻riset的低端电压增大或减小iset端的电流调节充电电流。电压和电流环路分别由连接在ccv和cci端的外部电容进行补偿校正，两个环路的输出通过逻辑“或”后，驱动一只漏极开路的沟道mos场效应管构成的有源负载。采用max846a芯片设计的充电器的外部电路，由p沟道mos场效应管或pnp晶体管调整器件与零件构成。2.1.2 max712芯片的结构特点与编程方法max712系列是maxim公司生产的快速充电管理芯片，max712在检测到du/dt变为零时终止快速充电模式，而max713是在检测到du/dt变为负值时终止快速充电模式。max712和max713都通过适当的设置给116节镍氢电池充电，具有线性或开关模式功率控制功能。对于线性模式，在镍氢电池充电时能同时给镍氢电池的负载供电。max712能根据电压剃度、温度或时间截止快速充电，自动从快速充电方式转到涓流充电方式。不充电时，镍氢电池上的最大漏电流仅为5ma。1.器件封装及型号选择图2-2 max712/max713的引脚排列方式表2-1 max712/max713的引脚符号和功能引脚符号引脚功能vlimit设置镍氢电池的最大电压vlimif，镍氢电池组的最大电压em不能超过vlimifn(镍氢电池数量)，单位为v，且vlimif接v+时，em=1.65nv。通常将vlimif端与ref端接在一起batt+镍氢电池组正极pgm0可编程引脚pgm1可编程引脚。通过对pgm0和pgm1端电压的设定可设置充电镍氢电池的数量(116)thi温度比较器的上限电压控制端。当temp端的电压上升到该端电压时，快速充电过程结束tlo温度比较的下限电压控制端。充电初始，当temp端的电压低于tlo端的过程电压时，快速充电被禁止，直到temp端的电压高于tlo端的电压为止temp温度传感器输入漏极开路的快速充电逻辑电平输出端(负逻辑)，外接上拉电阻。在快速充电时此端为低电平，在快速充电结束或转入涓流充电状态时此端变成高电平pgm2可编程引脚。通过对pgm2和pgm3端电压的设定可设置快速充电的最大允许时间(33264min)pgm3可编程引脚。除设定快速充电的最大允许时间外，还可设定快速充电和涓流充电的速率cc电流环路的补偿端batt-镍氢电池组负极gnd系统地 drv驱动外部pnp管的引出端v内部+5v并联稳压的引出端，该端电压对于batt-端为+5v，为芯片提供分路电流(520ma)，电源电流最小值为5maref内部2.0v基准电压源的输出端,可提供1ma的输出电流2.max712的结构 图2-3 max712的内部结构框图由图2-3可知，max712的内部电路主要包括：定时器、电压斜率检测器(内含a/d转换器)、+5v并联稳压器、上电复位电路(r1、c0和反相器f)、控制逻辑、电流和电压调节器(内含电流比较器和电压比较器)、镍氢电池比较器、温度比较器(过温度比较器、欠温度比较器)、2.0v基准电压源以及n勾道mos场效应管等。3.max712的主要特点1)采用零电压斜率检测技术。对116节串联的镍氢电池，能以c/3c的速率进行电流快速充电，也能以c/16的速率进行涓流充电(镍氢电池的额定电压的额定容量ah表示，如果某镍氢电池的额定容量为1ah，以1a电流充电时的充电时间为1h，则称1c速率)。2)可编程。可以编程设定待定充电镍氢电池的数量(116节)、充电时间(22264min)以及涓流充电电流的大小。只需要改变相应引脚的接法，即可实现编程。3)利用外部电阻可设定快速充电电流ifast。4)内部电压斜率检测器、温度比较器和定时器。根据电压斜率、镍氢电池温度或充电时间检测结果，可判断镍氢电池是否已充好电。一旦充好，就立即从快速充电状态自动切换到涓流充电状态，确保镍氢电池不受损害。5)静态功耗低，充电效率高，不充电时最大静态电流仅为5ua。4.max712的编程方法镍氢电池数的编程方法为：将pgm0、pgm1分别接v+、ref、batt-端或开路时，即可对充电镍氢电池数(116节)进行编程。快速充电时间及涓流充电电流的编程方法为：将pgm3、pgm4分别接v+、ref、batt-端或开路的时候，可以在22264min之间内设定一个充电时间tfast，见表2-2。pgm3端还设定了从快速充电切换到涓流充电时涓流充电电流itr的大小，(1)镍氢电池数量的设定在应用中max712提供可编程引脚pgm0和pgm1，通过对pgm0和pgm1引脚采取不同的电压连接方式即可设置待充电镍氢电池的数量。116节镍氢电池充电的设置参数如表2-2。表2-2 待充电镍氢电池数量的设置电池数12345678pgm0v+v+v+v+开路开路开路开路pgm1v+开路vrefbattv+开路vrefbatt电池数910111213141516pgm0vrefvrefvrefvrefbattbattbattbattpgm1v+开路vrefbattv+开路vrefbatt实际充电镍氢电池的数量也必须与由pgm0和pgm1引脚编程确定的数量一致，否则利用电压剃度检测充电功能将可能失去意义。(2)充电速率及充电时间的设定通过对pgm2和pgm3引脚的编程电压设置，可以设定镍氢电池的充电速率和充电时间。采取不同的电压连接方式时最大充电时间的设定见下表2-3。表2-3 最大充电时间的设定最大充电时间(min)a/d采样时间ta(s)电压剃度检测充电pgm3连接方式pgm2连接方式2221不能v+开路2221能v+ref3321不能v+v+3321能v+batt4542不能开路开路4542能开路ref6642不能开路v+6642能开路batt9084不能ref开路9084能refref13284不能refv+13284能refbatt180168不能batt开路180168能battref264168不能battv+264168能battbatt从上表中可以看出，对于max712芯片来说，最大允许快速充电时间为264min，因此其最小充电速率将不能低于c/4。快速充电电流ifast可按以下公式计算： (2-1)式中：ifast快速充电电流对于max712芯片来说，涓流充电速率一般为c/16，irt与ifast的关系见下表2-4。表2-4 涓流充电电流irt与快速充电电流ifast的关系pgm3连接方式快速充电速率涓流充电电流(irt)v+4cifast/64开路2cifast/32refcifast/16battc/2ifast/8此外，鉴于镍氢电池的固有特性，充电速率通常在80%左右，即当以c/2速率充电时，理论上充电时间为2h，而实际充电时间通常为2.5h左右。2.1.3 芯片的选择与比较从上述两种芯片的介绍可以看出，max712可通过简单的引脚电压配置进行编程，实现对充电镍氢电池数量和最大充电时间的控制。max712内部集成的电压剃度检测器、温度比较器、定时器等控制电路，根据电压剃度、镍氢电池温度或充电时间的检测结果，自动控制充电状态，从涓流充电转到快速充电(低温时)，以确保镍氢电池不受损害。充电状态识别可由输出的led指示灯或接口实现，具有自动从快速充电方式转化为涓流充电方式，低功能睡眠等特性。快速充电速率从c/4到4c可设定，涓流充电速率为c/16。通过这两种芯片比较可知，max846a最典型的应用就是作为一个独立的限压电流源为电池充电，而它大都运用在锂电池中，且多数在浮充充电中用，要实现快速充电相对来说较麻烦。而利用max712芯片所设计电路要求采用最简单的控制方式，使得该镍氢电池充电器能进行定时控制、电压控制和温度控制；具有过压、过流、充电电池保护功能和充电时间短的特点。max712系列专用集成电路具有多种可编程功能，可实现充电过程自动化，充电时间短，效率高，使用灵活方便。本论文中设计的镍氢电池快速充电器中所用的芯片选用的是max712快速充电管理芯片。利用max712芯片设计的充电器外围电路极其简单，非常适合便携式电子产品紧凑设计的需要。2.2镍氢充电器的原理与原理图图2-4 由max712构成的镍氢电池快速充电电路的原理图(注：图中引脚指引脚)2.2.1.充电器的原理充电器依据的原理就是max712充电管理芯片的特性，pgm0和pgm1根据电池的不同数目有不同的接法，如果电池数目和pgm0、pgm1的编程数目不符，将使决定快速充电的电压坡度电路失效。根据batt+、batt-间的电压和pgm0、pgm1编程的电池数目，可以算出每节电池的电压。如果每节电池的电压低于0.4v，只能涓流充电，直到每节电池的端电压大于0.4v，才开始快速充电。温度比较器根据设定的温度上限(thi)、下限(tlo)及当前温度(temp)，发出冷或热的信号给控制逻辑，控制逻辑决定快速充电还是涓流充电。pgm2和pgm3根据电池的充电时间不同有不同的接法，从而决定了v，并送给控制逻辑v和充电时间。从v+端连接的power-on-reset电路可以检测到外电源供电的开始，并将该信号送到控制逻辑。控制逻辑根据接收的所有信息，决定是否快速充电，如果快速充电，它还会送出相应信号到第8脚。 外围电路：由于芯片本身就已经具有根据电压坡度、温度或时间三种方式检测并截止快速充电，并自动从快速充电转到涓流充电的功能，所以外围电路只需要给芯片提供温度检测回路、直流电源供电回路、快速充电的指示回路和快速充电电流的控制回路，以及一些其它的简单电路。由max712构成的镍氢电池快速充电电路的原理图如图4-4所示。2.2.2充电器电路分析根据上述镍氢电池快速充电电路的原理图2-4所示，要利用该电路对3节aa型1ah镍氢电池充电，选择快速充电时间tfast=90min。电源输入有3v、4.5v、6v、9v、12v、15v和18v等规格，输入电流分别为150ma、 200ma、300ma、450ma、500ma、750ma、800ma、和1000ma等规格。在本电路中，图2-4左边加虚线的电路部分是整流电路，使之输出镍氢充电器所需的直流电压。在该电路中，要求电源电压udc=9v，输入电流为800ma。则输入的交流电压为：本电路中的c1为输入端滤波电容，r1是限流电阻。设udc的最小值为udcmin，内部并联稳压器的电压为5v，用r1将v端的最小电源电流限定为5ma，则r1的计算公式为：aa型镍氢电池的容量是1100mah，由公式4-1得:,取ifast=1000ma。当ifast=1a时,udcmin=6v，则r1=200，udc经r1对c2充电。当c2两端的电压uc2=v=5v时，开始快速充电。要求c25uf，现取10uf。c3是补偿电容，规定c35000pf，现取0.01uf。vt为2n6109型pnp功率管，其主要参数为ucbo=80v， icm=7a，pcm=40w，r2是基极偏置电阻。vd是阻塞二极管，可防止drv端的导通电流影响vt的正常偏置，它选用1a/50v的1n4001型塑封硅整流二极管。rs是检测电阻，用来设定快速充电电流ifast的值。因为batt端与cnd端之间的电压差为0.25v/ifast。当ifast=1a时，rs=0.25。负温度热敏电阻rt1、rt2采用13a1002型热敏电阻。该电路在快速充电、涓流充电时的充电电流分别为1a和1/16a(62.5ma)，充电速率分别为c和c/16。图中led1、led2为充电状态指示灯，led1指示充电器已接入电源，即当此灯亮时表示充电器已通电，可以开始工作。而当led2灯亮时表示此充电器正在进行快速充电，熄灭时表示快速充电结束，处于涓流充电中。第三章 充电器的充电曲线及控制分析3.1.镍氢充电器的充电曲线分析 图3-1 充电电压与充电电流变化曲线图3-1是实测的由max712构成的镍氢电池快速充电器的充电曲线，充电过程分5个阶段进行(如图所示)。通电前，max712只从电池上吸取极少的电能，这对应于阶段1，充电电流为ua级。在max712接通vdc而它的上电复位信号到来之前，电池处于涓流充电状态(阶段2)，充电电流为ma级。当复位信号到来时，只要em/n0.4v(0.4v为欠压锁定电压),就转入了快速恒流充电,此时充电电压迅速升高,而充电电流很快就保持恒定(阶段3),充电电流为a级。3.2.镍氢充电器的充电控制分析(1)采用电压斜率控制充电图3-2 利用电压斜率控制充电图3-2反映了利用电压斜率控制快速充电的全过程。在时间1内，max712从镍氢电池中吸取很小的电流(5ma左右)，当接通充电电源后，开始对镍氢电池以c/16的速率进行涓流充电(因为镍氢电池电压低于0.4v)，镍氢电池电压开始上升(时间2)。当单节镍氢电池电压上升到0.4v以后，快速充电正式开始(时间3)，镍氢电池的电压和温度持续上升，充电电流保持在设定值不变。当镍氢电池充入电量达到额定值后，镍氢电池组的电压开始下降，即du/dt为零时系统由快速充电转到涓流充电(时间4)。此时镍氢电池的电压继续下降，下降到一定值后保持不变，镍氢电池的温度也随之降低。当充电电源从电路中移开后，负载和max712从镍氢电池中吸收电流(时间5)。为保证电路能准确、可靠地工作，在选择直流充电电源时，电源电压必须大于6v，且在线性模式下要求直流充电电源必须比镍氢电池组的最大电压高出至少1.5v(开关模式下2v)。(2)采用镍氢电池温度控制充电图3-3 利用电池温度控制充电图3-3显示了典型的利用镍氢电池温度变化控制充电的过程。在镍氢电池温度比较低(如刚从寒冷的室外拿入室内)时，在时间1内max712从镍氢电池中很小的电流(5ma左右)。当接通充电电源后，开始对镍氢电池以c/16的速率进行涓流充电，镍氢电池的温度对应的电压由temp点升高到tlo点时，系统自动转入快速充电，此时充电电流保持恒定，镍氢电池的温度继续升高(时间3)。当镍氢电池的温度对应的电压由temp点升到thi点时，停止快速充电，又转为涓流充电，镍氢电池的温度也随之降低(时间4)。利用温度控制的原理是：通过max712内部温度比较器对temp端的输入电压和tlo、thi端设定的电压进行比较，即可控制其充电过程。当temp电压低于tlo电压或高于thi电压时只能进行涓流充电，反之可进行快速充电。在应用中常用热敏电阻作为温度传感器，并通过分压电阻实现，如图2-8所示。分压电阻值可根据要求进行计算。图3-4 温度控制典型电路在本电路中监测的是镍氢电池的相对温升，当t1、t2、t3采用相同的热敏电阻时，此温升范围将不受环境温度的影响。如果只监测镍氢电池的绝对温度，可去掉t2和t3，如允许镍氢电池在低温时可快速充电，则需将r5、t3和0.022uf电容去掉，并且将tlo端和batt端相连。第四章 判断快速充电结束的方法4.1 根据电压斜率判断max712内部a/d转换器(量程1.65v，分辨率2.5mv)在经过两次连续采样后得到v1、v2的值，可比较出电池电压的变化斜率，只要v1=v2，说明斜率为零，就从快速充电切换到涓流充电(如图3-1所示的阶段4)。4.2 根据温度判断如图4-1所示：使用两只负温度系数的热敏电阻，其中rt1与被充电电池表面相接触，以检测电池是否超过温度上限tn，rt2用于感知环境温度。当tth时温度比较器翻转，快速充电结束。关断电源后进入阶段5(如图2-5所示)，充电电流又降到零。图4-1 温度检测与比较电路使用max712实际设计的镍氢电池快速充电器充电时间短、充电效率高，克服了普通镍氢电池充电器功能单一、充电电流无法调整、充电时间长且效率低的缺点，取得了良好的使用效果。第五章 充电器的使用及前景用充电器给电池充电时，一定要按电池的充电说明书选用合适规格的充电器，并正确连接。否则会出现用电器损坏或安全事故，建议选用智能型充电器，因为其保护完善。一般不会出现事故。现在市场上的大部分充电器，只是针对锂电池或镍氢电池充电的。但是随着市场的发展，正在向两个方向发展：一是在外观方面要求美观大方、统一，能给人以整体美；二是在电器性能上要求外围元器件尽可能得少，使应用简单，便于生产。因此我们希望不久的将来可以在市场上看到我们的最新产品。总结本论文描述了3v镍氢电池电路的设计过程以及基本原理,设计了对三个3v镍氢电池充电的充电器，它能够在90分钟内完成镍氢电池的充电过程。根据对镍氢电池的充放电特性和充电控制方法的分析得出：镍氢电池充电时最明显的特征是充满电时电池温度较高，因此在快充电过程中应特别注意电池的温度，尤其是过充电时，镍氢电池温度过高，就可能使电池冒气。在镍氢电池进入过充电状态前，必须适时停止快速充电。为此，设计了此种镍氢电池快速充电器, 利用快速充电的方法，并在此基础之上进行电压、温度的检测和控制来保证该充电器能对镍氢电池进行安全可靠而又快速的充电。本电路具有温度保护功能,当电池温度过高时, 即刻停止快速充电,这样就能避免过充电对镍氢电池造成的损害.根据镍氢电池的充电特性可知，若长期不分昼夜地把电池挂在浮充电路中，会造成电池内部有大量的氢气产生，内压升高、电池发热的现象，必须采取与铅酸电池不同的浮充方法，不断循环。但反复循环使用会出现内阻增加，充放电率也要随之作相应的调整，即对于镍氢电池的浮充电系统应具备动态的在线修复电池的功能，才能确保运行的安全，应加有安全排气阀并且周围要有防火措施。这些方面有待今后去研究。参考文献1周志敏，周纪海，纪爱华.充电器电路设计与应用(第1版).北京：人民邮电出版社,2005.10 2王德志.蓄电池原理及应用(第1版).北京:中国铁道出版社,1991.5 3周志敏，周纪海.ups实用技术应用与维护(第2版).北京:中国电力出版社,2003.6 4陈有卿,刘海平.新颖集成电路实用手册.北京:人民邮电出版社,1997.5 5刘全盛.数