智能充电器的研究与现状分析（正文）VIP

山西农业大学工程技术学院毕业论文 目目 录录 1 引言 1 1 1 概述 1 1 1 1 电池的应用现状分析 1 1 1 2 充电器的设计背景 1 1 1 3 市场未来的发展趋势及需求 1 1 2 论文的主要内容 2 2 镍氢电池的特性研究 3 2 1 镍氢电池的化学特性 3 2 2 镍氢电池重要参数 4 2 3 镍氢 镉电池的充放电特性 4 2 4 镍氢电池的充电状态 5 2 4 1 预充电区 5 2 4 2 快速充电区 6 2 4 3 维持充电区 6 3 典型设计方案分析 6 3 1 来自 ZSMCU 的一款充电器电路 6 3 2 智能充电器芯片 MAX846A 典型就用电路 7 3 3 对智能充电器设计方案的分析 8 4 智能充电器功能的研究分析 9 4 1 系统功能模块分析 9 4 1 1 市电输入保护单元 9 4 1 2 电压变送单元 10 4 1 3 电压检测单元 10 4 1 4 电流输出控制单元 10 4 1 5 显示单元 10 4 2 充电器工作原理分析 10 杜波 智能充电器的研究与现状分析 4 3 硬件电路实现研究 11 4 3 1 市电输入保护电路 11 4 3 2 稳压电路 11 4 3 3 恒流源电路 12 4 3 4 开关电路 13 4 3 5 窗口检测电路 13 4 3 6 非门电路 14 4 3 7 过压保护电路 14 4 3 8 电压检测电路 14 5 硬件电路参数分析 15 5 1 市售充电器的电路设计缺陷 16 5 2 智能充电器硬件参数分析 17 5 2 1 市电输入保护单元 17 5 2 2 电压变送单元 17 5 2 3 电流输出控制单元 20 5 2 4 电压检测单元 22 5 2 5 过压保护和显示单元 23 总 结 24 致 谢 25 参考文献 26 附录 1 智能充电器电路全图 28 山西农业大学工程技术学院毕业论文 1 智能充电器的研究与现状分析智能充电器的研究与现状分析 1 引引言言 1 1 概述 本章主要对电池和充电器的应用现状做了分析 这些理论可以为其研究提供思路 1 1 1 电池的应用现状分析 电池的广泛使用为人们提供了方便 而且对便携式设备发展起到了推动作用 目 前 市场上的电池品种繁多 按电池的应用范围可分为通用类电池 如遥控赛车所用 的镍氢电池 和专用类电池 如笔记本电脑所用的锂电池 按电池是否能循环使用 分为不可充电电池 如各种酸性锰锌化学电池 和可充电电池 如镍镉 镍氢电池以 及铅蓄电池 不可充电电池 特别是含有重金属汞的电池 由于对环境的污染 而逐步被淘汰 各大电池生产厂商把业务的重点转移到可充电电池上 这样可充电电 池的充电问题就成了当前各生产厂商首先要解决的问题 本论文的重点是研究分析一 款使用方便 价格低廉 高效率和节能环保的充电器 1 1 2 充电器的研究背景 目前 市场上的充电器可分为两种 一种是针对手机专用锂离子电池所设计的专 用充电器 这种充电器与锂离子电池一起工作 具有充满电后自动停止充电 温度检 测的功能 但是这种充电器一般比较昂贵且通用性不强 另一种是针对普通的镍镉 镍氢电池所设计的通用充电器 这种充电器的缺点是用户必须按照说明书的要求控制 充电的时间 否则可能对电池欠充或者过充 不但使用不便而且对充电电池本身有极 大的损害 还会缩短电池的使用寿命 1 1 3 市场未来的发展趋势及需求 目前 在充电器市场上最有发展前途的是向电动车充电的充电器 这是电动车具 有其它车型无与伦比的优点所决定的 电动车自身噪声小 环境污染小的优点具有很 大的发展前景和市场潜力 尤其是在当今国际社会广泛提倡环保型节能技术的大背景 杜波 智能充电器的研究与现状分析 下 这种优势越来越明显 目前 电动车已经在市面上出售 但这类车都有很多问题 没有解决或者说是很好的解决 它的蓄电池容量太小 不能提供持续的动力而充电时 间又太长 充电效率不高 经常是要么过充要么欠充 严重影响蓄电池的寿命 广大 的用户反应问题集中在蓄电池的使用寿命太短 与此同时 这类电池的充电技术不是 很成熟 在充电器设计方面大有可为之处 随着现代电子技术的高速发展 微型电子产品的应用特别 在 MP3 数码相机 智 能手机 笔记本电脑的普及下为电池的大量使用提供了广阔的市场前景 近年来 随着 技术的日趋成熟 可充电电池正以迅雷不及掩耳之势取代了不可充电电池的市场 可 充电电池不但可以满足对耗电量大的设备提供持续的电力供应而且可以减少环境污染 现代可充电电池有镍镉 Ni Cd 电池 镍氢 Ni Mn 电池 要强调说明的是由于重金属镉 的污染问题和记忆效应等缺点 镍镉电池已不再生产 使用 虽然市面上仍有销售 因此 本文设计的充电器是针对镍氢电池 充电电池的普及对充电器的技术要求越来越高 市售充电器存在着充电时间长 充电电流小 没有保护能力等诸多设计缺陷 这些设计缺陷对充电电池有极大的危害 会缩短电池的使用寿命 设计充电器的原则是以适用满足需求为前提 尽量采用常用 的电子元器件 避免使用昂贵的集成电路芯片 即便于制作同时又降低成本 智能充电器的发展现状是充电器普遍采用智能型芯片外加辅助电路构成 成本比 较高 最终导致售价居高不下 这就是设计粗糙的市售充电器仍占据广大市场的缘故 智能充电器能够根据电池充电状态的三个阶段自动切换工作方式 这样不仅可以保护 电池 延长电池循环寿命 而且可以提高充电效率 缩短充电时间 1 2 论文的主要内容 本论文是一个研究分析型课题 针对市场需对一款实用 价格便宜的智能型充电 器做一个完整分析 本文主要内容是研究了充电器设计的方案以及方案的硬件电路实 现过程 在硬件的实现过程中重点分析了元器件参数的确定 本文首先分析可充电电 池 镍氢电池的化学特性和充电特性 介绍电池的重要参数并分章节阐述各个功能模 块的硬件电路实现 并且分析了参数的确定缘由 接下来分别论述了市电输入保护单 元 电压变送单元 电压检测单元 电流输出控制单元 显示单元的硬件电路实现细 山西农业大学工程技术学院毕业论文 3 节 最后对整个电路作了分析测试 证明了方案的可行性 本充电器与采用智能型芯 片设计的智能充电器具有相同的功能 满足其技术指标 2 2 镍氢电池的特性镍氢电池的特性研究研究 本章简要介绍镍氢电池的化学特性 解释说明了电池的几个重要参数 分析其充 电的状态转换过程 这些数据可以为分析充电器电路设计提供参考 2 1 镍氢电池的化学特性 镍氢电池是一种使用非常广泛的可充电电池 由于镍氢电池容量大 可多次循环 使用 无记忆效应而得到广泛应用 是市场的主流产品 因此 本设计主要针对镍氢 电池 镍氢电池与同体积的镍镉电池相比 容量增加了一倍 充放电循环寿命长 无记 忆效应 正常充电状态下的镍氢电池正极的活性物质为 NiOOH 放电时 和 Ni OH 2 充 电时 负极的活性物质是 H2 放电时 和 H2O 充电时 电解液采用 30 的 KOH 溶 液 充放电时的电化学化应如下式所示 正极 2 1 22 Ni OHOHeNiOOHH O 负极 H2O e 1 2H2 OH 2 2 总反应 Ni OH 2 NiOOH 1 2H2 2 3 由电极反应方程式 2 1 2 3 可以看出 充电时 负极析出氢气 存储在容器中 正极由氢氧化亚镍 Ni OH 2 转化成氢氧化镍 NiOOH 和水 H2O 放电时 氢气在 负极上被消耗掉 正极由氢氧化镍 NiOOH 转化成氢氧化亚镍 Ni OH 2 过量充电 时的电化学反应如下式所示 正极 2OH 2e 1 2O2 H2O 2 4 负极 2H2O 2e H2 2OH 2 5 杜波 智能充电器的研究与现状分析 总反应 H2O H2 1 2O2 2 6 再化合 H2 1 2O2 H2O 2 7 从反应方程式 2 4 2 7 不难得出 电池过量充电时 正极板析出氧气 负极板析 出氢气 由于有催化济的氢电极表面面积大 加之氧气容易扩散到氢电极表面 因此 从反应方程式 2 4 2 7 不难得出 电池过量充电时 正极板析出氧气 负极板析出氢 气 由于有催化济的氢电极表面面积大 加之氧气容易扩散到氢电极表面 因此 氢 气和氧气在电池内部很容易再化合生成水 使容器的内部压力保持不变 这种再化合 的速率很快 可使电池内部的氧气浓度不超过千分之几 镍氢电池可以做成密封型结构 电解液多采用氢氧化钾水溶液 并加入少量的氢 氧化锂 隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等 25 2 2 镍氢电池重要参数 充电终止电压 电池充足电时 极板上的活性物质已达到饱和状态 再继续充电 电压也不会上升 此时的充电电压叫做充电终止电压 镍氢电池的充电终止电压为 1 25V 或 1 5V 放电终止电压 电池放电时所能允许的最低电压 如果电池电压低于放电终止电 压时继续放电 电池电压迅速下降 形成深度放电 则再进行充电时 电池极板上的 活性物质就不易再恢复 严重影响电池的寿命 镍氢电池的放电终止电压为 1V 工作温度 指充电电池在正常充放电状态下的温度 一般为 20 C 55 C 电压容限 电压容限即市电电压容忍限度 这个参数表明充电器电路对市电电压 波动的容忍能力 也就是说它抗击市电电压不稳定的能力 25 2 3 镍氢 镉电池的充放电特性 镍氢 镉电池的充放电特性如图 2 1 所示 25 山西农业大学工程技术学院毕业论文 5 图图 2 2 1 1 电池特性曲线电池特性曲线 从电池的特性曲线分析得出 充电的全过程可以分为三个阶段 在电池电压低于 约 0 9V 时 特性曲线较陡 电压上升较快 这是由于电池内部基本没有存贮电量 活 性化学物质会大面积的快速激活 电压也随之快速上升 当电池电压达到 1 5V 左右后 此时 电池内部的电量基本恢复 活性物质绝大部分已激活 正在大量吸附电荷 电 压上升较慢 持续时间也长 直到进入下一个价段 最后一个阶段电池进入饱和状态 这时再充电电池电压也不会明显上升 电量也不会增多 活性物质所能容纳的电荷量 已经达到极限 这时应该停止充电 否则过充只会损毁电池电极 2 4 镍氢电池的充电状态 通过分析镍氢电池的充放电特性曲线将充电状态 阶段 分为三个 以利于充电 器功能的规化 2 4 1 预充电区 根据镍氢电池的充放电特性曲线 需要给充电的电池维持一个小电流 大约为正 常充电电流的 1 10 这时电池电压快速提升至标称电压的 60 左右 持续时间短 当单节电池电压上升到 0 6 1 0V 充电进入下一个阶段 杜波 智能充电器的研究与现状分析 2 4 2 快速充电区 这一阶段可以达到正常的充电电流 即市售镍氢电池所标称的 1300mA 电池电压 缓慢从预充电电压上升到标称电压 这一阶段持续时间较长 是充电的主要阶段 2 4 3 维持充电区 当电池电压达到标称电压时 电池进入充电饱和状态 充电电流降至正常充电电 流的 1 50 左右 电压维持在标称状态 这一阶段可以以涓流充电方式 也可以以恒压 限压方式充电 22 智能充电器的充电电路能够自动跟踪上文所述的充电电池的状态并根据电池所处 的状态自动切换电路的工作方式 在保证电池安全充电的前提下 提高充电的效率 节省充电时间 将镍氢电池的充电特性曲线划分为三个不同的阶段 状态 是本文设 计方案规划的依据 3 3 典型设计方案分析典型设计方案分析 本章分析几个国内外比较典型的充电器电路 其设计思想值得本设计借鉴 本设 计是在这些电路的基础上进行结构上的调整和功能上的完善 在上一章中 本文论述 了镍氢电池在充电过程中的状态变化 指出智能充电器要根据充电电池所处的状态确 定合适的充电方式 接下来 将分析这几款电路是否具有智能充电器具有的这个最基 本的功能 3 1 来自 ZSMCU 的一款充电器电路 充电器电路如图 3 1 所示 24 山西农业大学工程技术学院毕业论文 7 图图 3 3 1 1ZSMCUZSMCU 的一款充电器电路的一款充电器电路 这个镍镉电池自动充电器 具有状态指示功能 充电时 发光二极管发绿光 充 满后 保护电路动作 发光二极管发红光 指示电池已充满 当电池充满后 保护电 路自动切断充电电流 从而防止过充电 故该充电器可对普通锌锰电池进行充电 电容 C1 二极管 VD1 VD4 构成降压 限流 整流电路 由于电容的内阻很 大 则输出近似为恒流 经二极管 VD5 VD7 给电池充电 并在 VD5 VD7 上产生约 2 1V 的电压降使发光二极管发光 绿色 作为充电指示 三极管 VT 和电位器 RP 组 成自动保护电路 当电池充满后 VT 饱和导通 自动切断充电电流 同时 A 点电位 下降至 0 5V 左右 这时 VB VA 使红色发光二极管发光 表示充电结束 从上面的分析可能得出 该电路具有良好的充电状态指示和充满电量后自动切断 充电电路的功能 可以满足本文所要求的进入第三阶段的能力 在下一章论述 电路 结构也比较简单 但是电路的充电效率较低 因为在电池可以接受恒流大电流充电时 电路却仍然以小电流在工作 这是该电路的一个弱点 此外 充电电压易受市电电压 波动的影响 3 2 智能充电器芯片 MAX846A 典型电路 充电电路 MAX846A 如图 3 4 所示 杜波 智能充电器的研究与现状分析 图图 3 3 2 2智能充电器芯片典型应用电路智能充电器芯片典型应用电路 该充电器电路是以智能充电芯片 MAX846A 为基础设计的 由于 MAX846A 使得 外围电路更简单 但是这个芯片价格不菲 对于以后充电器电路的扩展不利 同时对 于充电器的应用范围扩展也不利 3 3 对智能充电器设计方案的分析 本论文将以上述的设计电路为参考并在分析电池充电状态变化的基础上对智能充 电器电路做一个完整分析 对其具有充电高效 保护电池 状态指示 自动跟踪电池 状态并切换电路的能力做了详细研究 在功能上进行了一定的调整以适应市场的需要 在系统功能的规划中考虑到硬件实现的成本和可能性 所以本论文把功能适用 价格低廉 电路简化作为研究的目标 本文所研究的智能充电器功能划分方框图如图 3 5 所示 山西农业大学工程技术学院毕业论文 9 市电输入 220V 110V 电压变送单元 控制单元 电压检测单元 市电输入保护单元 电流输出控制单元 显示单元 可 充 电 电 池 图图 3 3 3 3充电器系统方框图充电器系统方框图 本智能充电器硬件电路的实现以图 3 3 所示的系统方框图为指导 按照各子模块 的功能设置依次对其硬件电路做分析 最后再进行整个系统的综合测试 4 4 智能充电器功能的智能充电器功能的研究研究 本文参考了如上一章中的所述的市售充电器的电路和国内外的设计方案 分析出 充电电池的使用寿命和电池电量在使用中不断减小的原因 除了一些制造工艺上的问 题外 最值得引起注意的应是充电器问题 市售充电器的充电电路粗糙 没有给充电 电池提供足够的保护 没有按照上文所述的充电电池的特性而改变充电器的工作方式 用户只能根据市售充电器说明书上的充电时间来对电池进行充电管理 这给用户带来 了很大的不便 过充或欠充根本就无法区分 这些缺陷使得电池的寿命严重缩短 影 响用户的正常使用 4 1 系统功能模块研究 该充电器系统方框图如图 3 3 所示 在这里需要说明的是 本论文分析出硬件电 路的实现中有些硬件电路具有两个以上的子模块功能 例如电流输出控制单元和控制 杜波 智能充电器的研究与现状分析 单元都是窗口检测电路和非门协同工作时所具有的功能 系统功能在逻辑上的划分为 硬件电路的实现提供参考 同时硬件电路的设计可以将系统所划分出的逻辑功能综合 实现 4 1 1 市电输入保护单元 市电输入保护单元的任务是保护充电系统免于市电电俑 雷击 脉冲冲击和高压 的危害并在出现这些情况时能够让充电电路及时脱离市电电网 从而防止这些不利因 素对充电电路的损害 实验和经验证明具有一定电流容忍度的电熔丝就可以满足这个 要求 因而不必设计复杂的电路实现 4 1 2 电压变送单元 电压变送单元的功能是变换市电电压 交流 220V 以提供合适的电压送往电流输 出控制单元转换成电流 这部分电路的要求是电压稳定性比较高 输出电压不会因负 载的变化而改变的太多 4 1 3 电压检测单元 检测可充电电池电压 分析电压值 决定输出电平以控制电流输出控制单元工作 这部分电路只需要一个反向器就可满足该单元的功能要求 4 1 4 电流输出控制单元 控制单元的功能是控制充电电流的大小 完成状态的切换 它的输入信号是通过 窗口检测电路接收并分析电压检测单元的输入电压值后并决定其输出的电平 通过这 个逻辑电平来开启或关闭该单元 完成系统划分的任务 4 1 5 显示单元 显示单元应当最简化 最好只用 LED 完成功能和状态指示 在本设计中 采用了 两个 LED 一个为绿色 另一个为红色 红色指示电源是否开通 而绿色则指示是处 于充电状态还是已经充满电 4 2 充电器工作原理研究 本智能型镍氢电池充电器能够根据镍氢电池的状态自动切换工作方式 以不同的 充电电流灌注电池 从预充电状态开始经过快速充电阶段最终在充电即将结束时 维 山西农业大学工程技术学院毕业论文 11 持电池电压不变或不超过限制电压 从而进入维护充电状态 到此一个完整的镍氢充 电电池的充电过程结束 总的工作过程可概括为 当电池电压低于 0 9V 时 进行恒流 小电流预充电 大小约 100mA 在电池电压在 0 9V 1 45V 时 进行恒流大电流充电 大小约 1100mA 电池电压达到 1 45V 1 5V 时 进入维护充电状态 此时 电路保证 电池电压不会超过 1 5V 的限制 以上的工作方式切换由充电电路自动完成 不受人为 干预 本设计为了降低成本 满足用户需要 避免使用昂贵的专用集成电路芯片 例 如 MAX846A MAX712E PS1718 PS1719 等 而尽量使用价格低廉的分立元器件组 成 4 3 硬件电路实现研究 本论文中分析出智能充电器主要采用的分立元器件有 L7805CV LM324N PNP 型三极管 S9015 NPN 型三极管 S9014 电位器 二极管 1N4007 在电路的硬件实现 中 主要的电路有市电输入保护电路 稳压电路 恒流源电路 开关电路 限压电路 窗口检测电路 非门电路 过流保护电路 4 3 1 市电输入保护电路 市电输入保护电路由具有一定电压容忍限度的电熔丝构成 电路如图 4 1 所示 它本身就具有在高压脉冲条件下 例如雷击 电网波动冲击 自动切断电路的能力 过流也会使其在短时间内自动熔断 可以对充电电路起到保护的作用 因此 不需要 也没有必要设计一个专门的保护电路 图图 4 4 1 1市电输入保护单元市电输入保护单元 4 3 2 稳压电路 本设计中的稳压电路采用 L7805CV 和一些必要的外围电路实现 典型应用电路如 图 4 2 所示 杜波 智能充电器的研究与现状分析 图图 4 4 2 2L7805CVL7805CV 典型应用电路典型应用电路 外围电路主要是两个电容 并联在输入端的电容是为了防止脉冲电压进入 L7805CV 并联在输出端的电容是起着频率补偿的作用以防止稳压电路发生振荡 数 据手册说明 L7805CV 输出脚的最大输出电流约为 1000mA 本设计中要求最大输出电 流为恒流 1100mA 因此在电路中并联了三个 PNP 型三极管 S9015 作为电流辅助通道 以增大稳压电路的输出电流 电路如图 4 3 所示 输入端接直流电源输入 图图 4 4 3 3智能充电器的稳压电路智能充电器的稳压电路 经过测试在电路正常工作时 S9015 发射结的开通电压为 0 6V 因此电路的输出电 流可以达到 1100mA 而且保证电路安全稳定的工作 4 3 3 恒流源电路 山西农业大学工程技术学院毕业论文 13 恒流源的实现是依赖于稳压电路的稳压能力 这很容易实现 只要电路的电压不 变则输出电流不会变 这就是恒流的原因 例如 L7805CV 和 2 3 脚之间恒压 5V 当 接入一个电阻后 电流恒定为 5 5 5 50 安培 设定电阻阻值为 5 50 欧姆 4 3 4 开关电路 开关电路是由两个 NPN 型三极管 S9013 组成 电路总负载为 1000mA 电路如图 4 4 所示 与 S9015 一样 其开通电压也是 0 6V 允许最大电流是 500mA 由非门输出 电平控制 图图 4 4 4 4开关电路开关电路 4 3 5 窗口检测电路 窗口检测电路由 LM324N 和外围电阻构成 电路如图 4 5 所示 输 图图 4 4 5 5窗口检测电路窗口检测电路 窗口范围在 2 33V 到 3 53V 之间 当输入电压在此范围内 检测电路输出为低电 平 反之输入电压低于 2 33V 或高于 3 53V 检测电路的输出为高电平 电压窗口检测 杜波 智能充电器的研究与现状分析 电路具有逻辑判断能力 这样该电路与非门电路配合工作使整个充电电路具有判断电 池状态和自动切换电路的功能 4 3 6 非门电路 非门电路由一个 NPN 型三极管 S9014 和电阻构成 电路如图 4 6 所示 图图 4 4 6 6非门电路非门电路 该电路实现逻辑非运算 它的作用是实现窗口检测电路与开关电路的逻辑电平彼 配 4 3 7 过压保护电路 过流保护电路也是由三极管 S9014 构成 当电池电压超过一定的值时 使三极管 导通 从而通过二极管 D11 和三极管 Q7 旁路电流 限制电压 电路如图 4 7 所示 图图 4 4 7 7过流保护电路过流保护电路 J2 为充电器电路输出 接镍氢电池输入端 1 脚为正极 2 脚为负极 山西农业大学工程技术学院毕业论文 15 4 3 8 电压检测电路 电压检测电路本质上就是一个反向器 电路如图 4 8 所示 图图 4 4 8 8电压检测电路电压检测电路 综合以上电路 首先由电压检测电路检测出处于充电状态的镍氢电池的电压 将 检测的结果送入窗口检测电路 窗口检测电路通过分析输入的电压值决定输出电平 这个输出电平用于控制 1000mA 的电流通道的开闭 从而控制充电电路的输出电流 充电开始时 若单节镍氢电池电压低于 0 9V 电流通道是关闭的 充电器电路输出电 流约为 100mA 这是充电器的预充电状态 直到电压越过 1 0V 时 开启此通道使输出 电流为 1100mA 这时充电器进入快速充电状态 当单节电池电压快达到约 1 5V 时 电 流通道重新被关闭 充电器进入维护充电状态 这时 单节电池的电压被电路限制在 1 5V 直到达到 1 5V 时 显示单元点亮指示灯 表示充电过程结束 可取用电池了 即使不取用 继续让电池充电也不会对电池有损害 因为过流保护电路的存在 电池 电压没有超过 1 5V 的可能并且充电器向镍氢电池的输出电流被旁路 电流不能灌入电 池 从而做到真正保护电池 这样的设计 电池的温度也没有升高的可能 因为大量 的报告和实验数据证明 电池温度的升高是由于电池进入饱和状态后继续充电造成的 在电池还没有完成本文所述的充电过程并且正处于充电状态中 质量合格的镍氢电池 温度是不会超过 70 C 这是可充电电池的正常工作温度范围 因此本文重申并认为当 前没有必要研究温度检测电路 现代镍氢电池工艺保证 如果将来需要扩展 另行 进行 杜波 智能充电器的研究与现状分析 5 5 硬件电路参数分析硬件电路参数分析 在本章中将详细说明系统功能的实现电路和参数分析 这是本论文中所研究最底 层最基本的 5 1 市售充电器的电路设计缺陷 目前 市售充电器具有先天的技术设计缺陷 在电池充足电量后不能自动切断直 流充电通路 不能根据电池所处的状态自动切换充电器的工作方式 不能有效保护电 池和充电器自身 充电效率低下 充电时间太长 正是由于这些设计上的缺陷使得在 充电时没有保护电池的功能而损坏电池 使电池寿命严重缩短 这也是目前广大用户 普遍反应的问题 市售充电器电路如图 5 1 所示 图图 5 5 1 1市售充电器电路图市售充电器电路图 该电路由一个大容量的电解电容和四个整流二极管组成桥式整流电路 当然前置 电路还有一个起电磁耦合作用的变压器 是典型的全波整流电路 四个二极管中只有 两个在电压信号的正半周期导通而在负半周期另外两个导通 整流电路的四个二极管 就以此循环导通方式工作将交流电转化为直流电 电解电容的作用是为了滤波 使输 出波形平滑 这是目前市售充电器广泛采用的电路 但是这种充电器对充电电池没有保护能力 难以控制充电电压 极易损坏电池 行业内根据经验对充电器的输出电压做了一些调整 例如 对镍氢电池 充电终止电 压为 1 5V 充电的充电器的输出电压不是 1 5V 而是 2 17 2 53V 这样一来 当镍氢 电池接上充电器时输出电压就可以被拉下至 1 4V 左右 目前诸如此类解决方案被广泛 采用 应用于各种充电器的设计中 采用此类设计方案的充电器市售价格在 10 00 左 山西农业大学工程技术学院毕业论文 17 右 但这并没有解决充电电路本身固有的缺陷 对于过充或欠充电的问题 业界的做 法是在充电器的外包装盒上附有一张电池容量 充电时间参考表 如表 5 1 所示 表表 5 5 1 1电池容量电池容量 充电时间对照表充电时间对照表 电池容量电池容量700mAh700mAh500500 mAhmAh300300 mAhmAh180180 mAhmAh 电池数量 节 电池数量 节 4 43 32 21 14 43 32 21 1 充电时间 小时 充电时间 小时 3 32 52 52 21 51 52 52 52 21 51 51 1 本文研究的充电器是针对目前市售充电器的设计缺陷而提出的一种解决方案 按 照智能化的要求 充电器能够根据镍氢电池的状态自动切换工作方式 此外 值得一提的是手机的充电器 手机的充电器说明书上向广大的客户一再保 证可以保护电池 充满自动切断电源停止充电 生活中我们也有这样的感觉 但是 这里要强调说明的是这种功能不是充电器具有的而是锂离子电池具有的功能 现代的 锂离子电池一般都是将一个保护芯片和电量存储体一起封装的 这个保护芯片具有保 护锂离子电池不会过充或欠充 充满自停 温度检测等功能 5 2 智能充电器硬件参数分析 5 2 1 市电输入保护单元 市电输入保护单元电路如图 4 1 所示 电路中 F1 是电熔丝 J1 和 J2 是连接跳线 当市电电网中出现电俑 雷击 脉冲冲击和高压时 电熔丝会因瞬时强电流而发热使 其自身熔断从而保护充电器电路的安全 目前 市售电子设备主要采用此方式保护电 路 制造电熔丝的材料是一种在大电流时会瞬时发热使自身熔化的铅锡合金 它的熔 化速度很快 充电器电路在这段时间内可以容忍一下 铅锡合金的特性如图 5 2 所示 杜波 智能充电器的研究与现状分析 图图 5 5 2 2 铅锡合金特性曲线铅锡合金特性曲线 5 2 2 电压变送单元 电压变送及直流输出 电路图如图 5 3 所示 图图 5 5 3 3电压变送及直流输出电压变送及直流输出 J3 是市电输入端口 输入额定电压为交流 220V 可允许在 180V 到 260V 范围内 变动 随后输入变压器 变压器的输出电压范围在交流 16V 到 24V 后续电路中有桥 式整流电路 它将低压交流输入转换成低压直流输出 此时是单方向的正弦半波 为 了让这样的输出电压波形成为恒压波形 因此在电路最后面并联了一个大容量的电解 电容 C1 电容值为 1000uF 到 2200uF 之间 如本设计中使用了 1000uF 25V 的电解电 容 经过测试证明输出电压的波形比较接近直流 波形是一条常数直线 通过该电路 后 便得到了直流输出电压 在电路仿真测试中 交流电压输入 变压器输出 波形如图 5 4 所示 整流后输 出电压波形如图 5 5 所示 经过电容滤波后输出波形如图 5 6 所示 图图 5 5 4 4交流电压输入 交流电压输入 17 9V17 9V 图图 5 5 5 5 整流输出电压波形整流输出电压波形 山西农业大学工程技术学院毕业论文 19 图图 5 5 6 6滤波后输出电压波形滤波后输出电压波形 当输入的交流电压为 17 9V 时 输出直流电压为 25 2V 纹波已很小 可以认为是 直流 由于在这个电路中充电速度快而放电速度慢 当在交流的正半周期内 电容充 电 其速度可以和电压变化相当 在负半周期内 电容处于放电状态 但其放电速度 极度缓慢 因此电容几乎在没有放电机会的情况下又会在下一个充电周期 交流正半 周期 到来时继续充电 因此输出直流电压几乎处于交流电压的峰值 可以计算当交 流电压有效值在 17 9V 时 那么其峰值应为 17 9 1 414 25 3V 实际输出为 25 2V 经 过这种变换 可以得到直流 25 2V 的电压输出 但是如果这样的直流电路一但接上负 载 电压就立即被拉低至 5V 以下 因为输出阻抗还比较大 为了克服这个问题 要求 接入稳压电路 稳压电路在这个意义上是作为阻抗变换器使用的 本设计采用集成稳 压电路 L7805CV 在决定使用这个集成电路之间 本设计也做了一个用三极管和外围 电阻组成的稳压电路 电路图如图 5 7 所示 图图 5 5 7 7稳压电路稳压电路 这个电路采用分立元器件组成 在实施过程中输出漂移很大 后来做了改进 电 路稳压效果比较好 但成本却比 L7805CV 还高 同时占用了较大的 PCB 板空间 故 本设计选用集成稳压电路 L7805CV 本论文研究出稳压电路部分由 L7805CV 构成 它是集成稳压电路 输入电压 Vi 范围为 6 0V 到 12V 参考 L7805CV 数据手册 为了使电路工作稳定 本设计使用 杜波 智能充电器的研究与现状分析 9V 直流电压作为输入 这样当市电电压在一定范围内波动时 稳压电路仍能正常工作 并保证输出电压 Vo 约为 5 0V L7805CV 典型应用电路如图 3 3 所示 L7805CV 只有 三个脚 分别标有 1 2 3 1 脚是输入端 2 脚是接地端 3 脚是输出端 集成稳压 电路 L7805CV 确保 2 脚和 3 脚之间的电压约为 5 0V 根据 L7805CV 的数据手册和试验证明 通过 L7805CV 的电流最好控制在 1A 以下 这样可以保证 L7805CV 安全稳定地工作 虽然数据手册说明 L7805CV 可以超过 1A 三极管 S9015 是 PNP 双极型三极管 其发射结 BE 偏压 在 0 6V 左右可以开通 当 充电电路的主通道中流过的电流 即流过 L7805CV 达到 0 7A 1 0A 时 电阻 R2 上 有约 0 6V 的压降 这个电压加在 S9015 的发射结 BE 结 上 从而使三个三极管同 时导通作为辅助通道和主通道一起为负载提供更大的输出电流 本设计要求最大输出 电流约为 1100mA 这种设计不但可以保证有比较大的输出电流而且保护了 L7805CV 使其不因电流过大而发热损坏 S9015 可以允许通过的最大电流是 0 1A 三个并联使用可以为输出增加 0 3A 的电流 电容 C1 C2 C3 的作用是为 L7805CV 提供频率补偿 防止电路振荡 电阻 R3 接在 L7805CV 的 2 3 脚之间 当电路在导通 情况下 2 脚和 3 脚的电压恒定为 5 0V 如果 R3 的阻值设定为 50 左右 就可以使 电路成为输出电流为 0 1A 的恒流电流源 电阻阻值为 5 的 R4 与两个 NPN 型三极管 S9013 串联构成 1 0A 的电流通道 与 R3 的电流通道一起构成最大输出电流在 1 1A 左 右的恒流电流源 S9013 的开通偏置电压为 0 6V 其开通与否由电压检测单元输出电 压信号经窗口检测电路分析后提供一个输出逻辑电平控制 二极管 1N4007 的作用是防 止电流倒流 避免输出电压反向加在输入端 从而损坏 L7805CV 5 2 3 电流输出控制单元 实现电路分三部分 电压窗口检测电路 非门 电流通道开关 本设计使用集成 电路 LM324N 和普通 NPN 型三极管 S9014 组成该电路 1 LM324N 简介 LM324N 的外部引脚如图 5 8 所示 山西农业大学工程技术学院毕业论文 21 图图 5 5 8 8LM324NLM324N 的外部引脚图 左图为的外部引脚图 左图为 PDIP 14PDIP 14 或或 SO 14SO 14 封装封装 右图为右图为 PLCCPLCC 封装 封装 本论文分析出智能充电器使用的 LM324N 采用 PDIP 14 封装 这是为了便于安装 LM324N 的内部结构如图 5 9 所示 图图 5 5 9 9LM324NLM324N 的内部结构的内部结构 在 LM324N 中 四个运算放大器之间除了共用电源 VCC 和地 GND 这两个端口外 其余各运放的端口之间互相独立 也就是说四个运放独立工作 互不干扰 本设计中 要用其中的三个 如有特别需要 第四个用作温度检测电路备用 2 电压窗口检测电路 电压窗口检测电路如图 4 5 所示 窗口检测电路由两个运算放大器 两个二极管 1N4007 和四个用于分压作用的电阻构成 运算放大器取自 LM324N 通过对分压电阻 值的设定可以改变窗口检测电路的窗口范围 本设计在印制电路的设计中为了增强电 路的适应性 将四个分压电阻更换为两个电位器 3 电路设计相关参数说明 分析出智能充电器要求电压窗口检测电路检测电压的范围是 2 4 3 6V 当输入的 检测电压落到此范围内则输出电平为低电平 反之输出为高电平 电路中设定 VCC 为 5 0V 在分压电阻的作用下分别取得两个电压比较点 2 4V 和 3 6V 若输入电压在 2 4V 以下 上面的运放 1 输出为高电平使与之相联的二极管 D1 导通 下面的运放 2 杜波 智能充电器的研究与现状分析 输出为低电平使相应二极管 D2 截止 最终检测电路的输出为高电平 若输入电压在 3 6V 以上 下面的运放 2 输出为高电平使后继相联的二极管 D2 导通 上面的运放 1 输出为低电平使相应的二极管 D1 截止 最终的输出电平仍为高电平 表示输入待检测 的电压不在这个范围内 只有当输入电压在 2 4V 到 3 6V 内 上面的运放 1 输出为低 电平 同时下面的运放 2 输出也是低电平 最终的输出才为低电平 表示输入的电压 确实在这个范围内 综上所述 电压窗口检测电路在输入电压落入 2 4V 到 3 6V 内 则输出低电平 在输入电压低于 2 4V 或高于 3 6V 时 则输出高电平 4 非门电路 由于恒流电路 电流通道开关电路 要求在高电平时导通 而在低电平时截止 这与电压窗口检测电路的输出电平正好相反 因此需要在其输出端联接一个非门电路 使两个逻辑相反的电路电平彼配 选用集成的非门电路显得太浪费 故本设计采用一 个三极管 S9014 和两个电阻构成非门 电路如图 4 6 所示 在这个电路测试前 本设计先做了非门电路的仿真测试 非门电路在 PROTEL99SE 上仿真 仿真波形显示表明结果符合功能要求 再经过电路测试后证明 这个电路可以满足本设计中所要求的电平彼配能力 非门的输入信号是电压窗口检测 电路输出的负逻辑电平 输出信号 逻辑电平 则用于控制电流通道工作 5 非门测试表明 输入电压在 2 42V 以上就可以驱动其工作 本文在前面提到 对电压窗口检测电 路的分析得知其输出满足非门工作的条件 现重述这一工作过程 当电压窗口检测电 路的输出为高电平 3 63V 时 大于表 4 4 提供的驱动电压值 2 42 非门接收到这 个电压信号后 输出为低电平 0 09V 这样低的电压不足以开启电流通道 至少需 要大于 0 6V 才能开启 当窗口检测电路的输出电平为低电平 0 06V 时 非门电路 的输出为高电平 5 00V 这个电压足以开通电流通道 这样就实现了前后级电路的 协调工作 共同控制充电器电路输出电流的大小 6 电流通道开关 电流通道开关如图 4 4 所示 Q6 与 R5 和 R7 组成如 4 6 所示的非门电路 Q4 和 Q5 组成充电器电路的电流通道开关 当此通道开通时 充电电路的输出电流为 1 1A 当 关闭时 充电电路的输出电流为 100mA 该通道电路的两个 NPN 型三极管选用 S9013 它输出的最大电流为 500mA 其它特性和 S9014 S9015 一致 两个 NPN 型三极管 山西农业大学工程技术学院毕业论文 23 S9013 并联运行可提供 1000mA 的输出电流 本设计中对控制电路的设置保证了通道在 高电平 5 00V 时能够导通 低电平 0 09V 时关闭其通道 能够被非门输出的逻 辑电平所控制 另外 值得注意的是窗口检测电路中的分压电阻要适当大些 有关电压检测点设 定的问题 将在过压保护单元中加以说明 5 2 4 电压检测单元 电压检测单元电路如图 4 8 所示 它实际上是一个直流反向器而且只工作在电压 反向状态 由于在电路的设计中已经固定了一定的结构 电路的输入电压总是一个负 电压 它的绝对值就是充电电池电压 因此 对于此部分电路来说 输入电压始终是 负向的 从而使输出总是正向电压 这个正向电压作为电压窗口检测电路的输入可以 被窗口检测电路正确识别 输出控制信号控制非门电路的导通和截止 最终控制电流 通道的开通和关闭 5 2 5 过压保护和显示单元 过压保护和显示单元的实现电路如图 4 7 所示 当充电电池的电压加上二极管的 管压降一起超过约 3 6V 时 在分压电阻 R12 的作用下 R12 下半部上的压降可达到开 通三极管 Q7 所要求的约 0 6V 此时二极管 D11 上开始有电流流过 其大小为 0 1A 可以限制电池电压不会超过 3 0V 两节镍氢电池 从而保护电池不会过充 根据大量 的数据手册和用户反应及实验结果 镍氢电池的充电终止电压约为 1 25V 可以认为是 1 5V 放电终止电压为 1 0V 经验值可以为 0 9V 故一节镍氢电池电压的安全值允许 在 0 9V 1 5V 内 这样可以通过充电重新激活电池内的活性物质使电池恢复电量 否 则 不能保证电池安全 两节镍氢电池加上二极管 1N4007 管压降一起算在内 故安全 值范围在 2 4V 3 6V 在这一电压段范围内 镍氢电池可以接受大电流充电 这就是 在窗口检测电路中设置 2 33V 和 3 53V 的原因 在测试的时候用的是色环电阻 它本 身就有一定的误差 为了在制作印制电路板的时候能够更加精确的设置检测点 本设 计将色环电阻换成电位器 这样一来还有一个优点就是可以调整整个充电电路的充电 电压和检测窗口的窗口范围 以适应多方面的需要 设置二极管的目的是为了在充电 的过程中镍氢电池不会因市电断电而放电既而白白损耗电池电量 至于电池倒置安装 问题 本设计中充分考虑多方面因素 决定将在硬件的机械部分给予控制 这样可以 杜波 智能充电器的研究与现状分析 避免设计复杂的电路 使成本比较低 显示单元由两个 LED 组成 一个红色 LED 指示电源是否断电 另一个为绿色 LED 显示镍氢电池的充电状态 灯灭表示正在充电 灯亮表示充满电 可以取用了 山西农业大学工程技术学院毕业论文 25 总 结 该论文所研究分析的智能充电器电路