智能密封铅酸蓄电池充电器设计(1)(1)

毕业设计说明书智能密封铅酸蓄电池充电器设计专业电气工程及其自动化学生姓名班级学号指导教师完成日期2012年5月26日智能密封铅酸蓄电池充电器设计摘要铅酸蓄电池的制造成本低、容量大、价格低廉，使用十分广泛。由于其固有的特性，若使用不当，寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，采用正确的充电方式能有效延长蓄电池的使用寿命。因此，设计一种全新的智能型铅酸蓄电池是十分必要的。所设计的智能密封铅酸蓄电池智能充电器，内容主要包括对蓄电池充电方法的研究和充电系统的设计。在分析密封式铅酸蓄电池的充电特性的基础上，综合涓流充和恒流、恒压等充电方式的优点，应用PIC16C54单片机，采用了脉宽调制技术，根据电压、电流反馈自动控制调节充电脉冲宽度，分快充、慢充、涓流充三阶段改变充电电流及电压的大小。这种充电方法可以始终地使充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线，并且在整个充电期间内适时地采取了去除蓄电池极化的措施。研究表明，基于PIC16C54单片机控制的智能充电器，其效率高、调节时间快的良好充电特性可得到充分发挥，使得蓄电池具有较高的使用容量和较长的循环寿命，具有良好的应用前景，为提高蓄电池的性能和可靠性提供一条新的、有效的途径。关键词铅酸蓄电池；智能充电；单片机；脉冲宽度调制PWMTHEDESIGNOFINTELLIGENTSEALEDLEADACIDBATTERYCHARGERABSTRACTTHELEADACIDBATTERYHASMANYADVANTAGES,SUCHASLOWCOSTOFDESIGN,LARGECAPACITY,LOWERPRICEANDUSEWIDELYDUETOITSINTRINSICATTRIBUTES,IFUTILIZEDIMPROPERLY,THELIFEEXPECTANCYOFTHEBATTERYWILLBELARGELYSHORTENEDTHEREFORE,ITISNECESSARYTODESIGNANEWANDINTELLIGENTLEADACIDBATTERYCHARGERTHEDESIGNOFSEALEDLEADACIDBATTERIESINTELLIGENTCHARGER,CONTENTMAINLYINCLUDESTOBATTERYCHARGINGMETHODOFRESEARCHANDCHARGINGSYSTEMDESIGNBASEDONTHEANALYZEDRESULTSOFCHARGINGCHARACTERISTICOFLEADACIDBATTERY,USINGPIC16C54,COMBINESTRICKLECHARGE,CONSTANTCURRENTCHARGEANDCONSTANTVOLTAGECHARGESMERITS,AINTELLIGENTLEADACIDBATTERYCHARGERISDESIGNEDTOADJUSTTHECHARGINGCURRENTANDVOLTAGEPULSESAMPLITUDEANDPULSEWIDTHAUTOMATICALLYBYTHREEPHASESCHARGINGPROCEDUREOFFASTCHARGINGTHISKINDOFCHARGINGMETHODSCANALWAYSTORECHARGECURRENTINOVERALLAPPROXIMATIONBATTERYACCEPTABLECHARGINGELECTRICCURRENTCURVE,ANDTHROUGHOUTTHECHARGINGPERIODTIMELYADOPTEDREMOVEBATTERYPOLARIZATIONMEASURESTHESTUDYSHOWTHATBASEDONTHEINTELLIGENTCHARGINGPIC16C54SINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLCHARGER,ITSHIGHEFFICIENCY,REGULATINGTIMEQUICKGOODCHARGINGCHARACTERISTICSCANGETFULLY,MAKEBATTERYHASHIGHERUSECAPACITYANDLONGCYCLELIFE,CANMEETTHEELECTRICLOCOMOTIVEMOTIVEBATTERYCHARGINGREQUEST,HASAGOODAPPLICATIONPROSPECTFORIMPROVINGBATTERYPERFORMANCEANDRELIABILITYPROVIDESANEWANDEFFECTIVEWAYKEYWORDSLEADACIDBATTERIESINTELLIGENTCHARGINGSINGLECHIPCOMPUTERPULSEWIDTHMODULATION目录1概述111课题研究的背景112课题研究的意义12课题研究的方案221课题总体设计方案222充电方法的选择223充电系统的整体结构63充电器硬件电路设计631充电器的充电过程及工作原理632开关电源主回路设计733开关电源PWM控制电路的设计1134辅助电源电路的设计1535充电控制电路的设计164充电器软件设计2041软件的功能2042PIC系统指令设计2043程序流程图215结束语25参考文献26致谢27附录28附录1充电器电路的原理图29附录2充电器电路的PCB图30附录3程序清单31智能密封铅酸蓄电池充电器设计1概述11课题研究的背景电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的器件。二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。当对二次电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。在充电电池化学电池或物理电池的应用过程中，充电器是其成功运用的重要装置，所以充电电池一经问世，充电器便是个关键问题，因为充电的模式及参数的好坏直接影响到电池的两个重要指标充电电电池的使用容量和循环使用寿命。然而直到二十世纪中期，充电器技术并未得到长足发展，普遍采用的模式是恒流或恒压充电方法，但效果较差。这种情况直到六十年代MASCC博士基于最低出气率曲线原理发现电池可接受充电电流大小随时间按规律下降这一规律后，才证实恒流或恒压充电均不是最合适的方法。根据MASCC曲线，又提出了所谓两段式，三段式或多段式充电。所谓两段式指先对电池进行恒流或恒压充电，当电池电压达到一定程度，然后对电池进行涓流充电；所谓三段式一般是对电池进行恒流充电，待电压达到一定值后转入第二阶段，即限压充电阶段，当充电电流小到某种程度后转化为第三阶段，即为涓流充电。经过几十年的发展，密封铅酸蓄电池技术已较为成熟。由于这种电池的使用性能接近了镉镍电池，且又无需维护，国内对密封铅酸蓄电池的应用逐渐增多。而充电器近年来取得长足发展，明显的标志就是世界上大部分半导体厂商均推出了自己的充电芯片，有的还带有中央处理器。本文也将应用单片机PIC16C54，设计一款智能型铅酸蓄电池充电器。12课题研究的意义因为铅酸蓄电池存在着很多影响电池使用寿命和容量的因素，为了提高铅酸蓄电池的充电效率，缩短充电时间，消除蓄电池的极化现象，在分析铅酸蓄电池的充电特性的基础上，综合涓流充和恒流、恒压等充电方式的优点，应用PIC16C54单片机，采用了脉宽调制技术，根据电压、电流反馈自动控制调节充电脉冲宽度，分快充、慢充、涓流充三阶段改变充电电流及电压的大小，设计了这一款智能密封铅酸蓄电池充电器，它可以在系统的控制下进行三段式充电过程，充电系统按照设定的充电方法给电池充电，并能根据电池电压和充电电流自动转换充电状态并显示出来，在蓄电池充满电后，自动进入涓充状态。该充电器的一些技术指标有A）基本输入单相220VAC5，50HZ2；B）充电参数快充时充电电流为4A，慢充时充电电压为147V，涓充时充电电压为141V；C）环境温度10到50空气相对湿度不超过85。2课题研究的方案21课题总体设计方案该设计采用逐个功能模块分析再组合的方法来实现方案。分别对开关电源主回路中的滤波电路、开关管的驱动电路，开关电源PWM控制电路。辅助电源电路和充电控制电路进行了分析设计。然后对每一部分的具体电路的特点进行组合。软件方面对软件要实现的功能进行了述说，对PIC系统的指令进行了说明，绘制了程序流程图，对程序进行了分析解释，最终把写好的程序读进所使用的单片机中来实现充电器的功能。22充电方法的选择充电方法的选择对铅酸蓄电池来说至关重要，不同的充电方法相差很大，其充电效果也会有很大的差距，对电池性能的影响各不相同。在选择最合适的充电方法时，应考虑充电电池的使用频率、放点倍率、用途等因素。下面是对不同充电方法的简要概述A恒流充电A恒流充电充电器的交流电源的电压通常会波动，充电时需要采用一个直流恒流电源，即恒流充电器。当采用恒流充电时，可使电池具有较高的充电效率，可以很方便地根据充电时间来决定充电是否中止，也可以改变电池的数目。恒流电源充电电路如图21所示。图21恒流电源充电电路B）准恒流充电准恒流充电电路中，通过在直流电源和电池之间串联上一个电位器，以增加电路内阻来产生恒定电流。电阻值根据充电末期的电流进行调整，使电流不会超过电池的允许值，由于结构简单、成本低廉，此种充电电路被广泛应用在充电器中。对同时具有交流和直流电源电路的电气设备，不需要额外的充电器，而是采用电气设备内的直流电路对电池进行充电。如图22所示。图22准恒流充电电路B恒压充电当电池进行恒压充电时，电池两端的电压决定了充电电流。在这种充电方式下，充电初期电流较大，充电末期电流会变小。充电电流会随着电压的波动而变化，因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免便电池过充电。另外，在此种充电方式中，充电末期充电电压在达到峰值后会下降。电池的充电电流将变大，会导致电池温度升高。随着电池温度升高，电压下降，将造成电池的热失控，损害电池的性能，因此不推荐采用恒压充电方式。如图23所示图23恒压充电电路C浮充方式在浮充方式中，电池以很小的电流（C/30C/20）进行充电，以使电池保持在满充状态。浮充方式应用于电池作为备用电源或应急电源的电气设备中。常规浮充方式充电电路如图24所示。图24浮充方式充电电路D涓充方式电池与负载并联，同时电池与直流电源（充电器）相连。正常情况下，直流电源作为负载的工作电源，并以涓充方式为电池充电，只有当负载变得很大、直流电源端电压低于电池端电压或直流停止供电后，电池才对负载放电。在这种方式下，充电电流由使用模式决定。它通常使用在紧急电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。如图25所示是简单的涓充方式示意图。图25涓流方式的简单示意图E分阶段充电方式在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。当电池电压达到控制点时，电池转为以涓流方式充电。分阶段充电方式是电池最理想的充电方式，但缺点是充电电路复杂和成本较高。另外，需增设控制点的电池电压的监测电图。如图26所示图26分阶段充电的简单示意图F快速充电在用大电流短时间对电池进行充电时，需采用电池电压检测和控制电路。该电路在电池充电末期实时检测电池电压和电池温度，并根据检测参数控制充电过程。A电池电压检测在大电流充电末期，检测电池电压，当电池电压达到设定值时，将大电流充电转成小电流充电。采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量。控制电路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低。B）V检测电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行控制的，采用V控制系统的充电控制电路，当充电峰值电压确定后，若V检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。C电池温度检测电池在充电末期，负极发生氧复合反应产生热量，使电池温度升高。由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电池外壳上设置温度传感器或电阻等温度检测元件。当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。下面即给出了电池温度检测简图和电池温度与充电时间的关系图。如图27所示图27电池温度检测简图智能密封铅酸蓄电池往往采用恒压充电或恒流充电。恒压充电由于充电初期电流太大，对蓄电池寿命有影响，对于智能密封铅酸蓄电池，甚至可能造成极板弯曲，电池报废。所以很多智能密封铅酸蓄电池的充电电路采用恒流充电方式，电路始终以恒定的充电电流对蓄电池充电，至到蓄电池充满时关断电路，或者转变为浮充形式。相比而言，恒流充电对蓄电池的寿命是有好处的。而且恒流充电具有较大的电流充放电，使充放电的速度大大加快。但是，如果采用恒流充电，在充电后期，由于电流保持原有数值，大部分电流用在分解水上，于是冒气很厉害，电解液沸腾很剧烈，不但消耗电能，而且对极板也不利，容易造成极板上活性脱落。因此，对于智能密封铅酸蓄电池，用分阶段充电方式是一种比较好的方法，因为随着充电过程的进行，充电电流逐渐下降。采用这种方法，可以使充电末期的电解液沸腾的现象减弱，损失电能较少，而且能保护极板，并能防止过度充电和水解的电力损失。通过对上述几种充电方式的分析比较，综合其优点设计出具有快充和慢充的智能型密封铅酸蓄电池充电器。该充电器采用单片机控制，充电过程分为快充、慢充及涓流充三个阶段，充电效果更佳。23充电系统的整体结构图28充电系统的结构框图充电系统的结构框图如图28所示。整个充电装置由电源变换电路，斩波电路，隔离驱动电路和单片机控制系统组成。3充电器硬件电路设计31充电器的充电过程及工作原理311充电器的充电过程分析图31所示为该充电器的充电电流、电压曲线。UTIA、U（V）1CI（T）009C0TH快充慢充涓流充T1T2T3图31充电器的充电电流、电压曲线从图31可以看出在快充阶段（0T1），充电器以恒定电流1C对蓄电池充电，由单片机控制快充时间，避免过量充电；在慢充阶段（T1T2），单片机输出PWM控制信号，控制斩波开关通断，以恒定电压对蓄电池进行充电，此时充电电流按指数规律下降，当电池电压上升到规定值时，结束慢充，进入涓流充阶段；在涓流充阶段（T2T3），单片机输出的PWM控制信号，使充电器以约009C的充电电流对蓄电池充电，在这种状态下，可长时间对蓄电池充电，从而能最大限度地延长蓄电池寿命。312充电器的工作原理220V交流电源电源变换电路辅助电源斩波电路单片机隔离，驱动电路铅酸蓄电池在23节中，提出了铅酸蓄电池的充电系统的结构框图，在下面根据系统结构原理图给出一个具体的智能型密封铅酸蓄电池的原理框图，这个智能型密封铅酸蓄电池原理图，主要由开关稳压电源、斩波开关、控制器和辅助电源等四个部分组成，并具有过流保护、过压保护和超温保护功能。交流电输入经过整流电路同时有一个辅助电源提供给单片机，再经过半桥式变换器在这里利用TL494设计了电压监控和电流监控，在利用单片机控制斩波开关来对蓄电池进行智能化的充电，单片机控制灯的运行和停止可以看到充电现在所处在的哪个充电状态。在这个原理图中首先要设定每个阶段的值，根据这些通过单片机对充电器进行控制。具体的原理图如图32所示整流滤波半桥式变换器驱动器TL494辅助电源_单片机PC16C5450HZ时钟脉冲AC斩波开关蓄电池温度检测电压监控电流监控绿黄VREF_图32智能型铅酸蓄电池原理框图32开关电源主回路设计321功率开关元件的选用目前在开关电源中用得比较多的开关器件主要有电力晶体管GTR、门极可关断晶体管GTO、场效应晶体管MOSFET和绝缘栅极双极型晶体管IGBT等。IGBTINSULATEDGATEBIPOLARTRANISTER是MOS结构的双极型器件，属于具有功率M0SFET的高速性能与双极型器件的低电阻特性的功率元件。但目前由于价格方面的原因，还只能用在高功率变换的场合。通常我们选择MOSFET管，主要考虑漏源击穿电压和导通电阻。漏源击穿电压就是漏区和沟道体区PNDSBVDSONRDSBV结上的反偏电压。这个电压决定了器件的最高工作电压。导通电阻是另外的一个非常重要的参数，相当于双极型晶体管功率器件的饱和电阻。漏源击穿电压值高，DSBV导通电阻也较大，限制了功率场效应管在高反压开关电源中的应用。场效应DSONR管工作在开关状态时，漏源极之间的电压也是必须考虑的一个参数。鉴于目前工艺状况导通电阻稍大，约1欧姆左右。低导通电阻的管子价格偏高。导DSONR通电压，相当于双极型晶体管的饱和电压，而我选择的双DSONSDVRICESATV极型晶体管E13007的饱和电压最大值只有025V。综上所述，双极型晶体管的饱和压降还是比较小。特别是成本也比MOSFET要低得多。双极型晶体管由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构PNP型和NPN型。在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。下面是双极型晶体管的特点A）输入特性曲线描述了在管压降UCE一定的情况下，基极电流IB与发射结压降UBE之间的关系称为输入伏安特性，可表示为硅管的开启电压约为07V，锗管的开启电压约为03V。B）输出特性曲线描述基极电流IB为一常量时，集电极电流IC与管压降UCE之间的函数关系。可分为三个区截止区发射结和集电结均为反向偏置。IE0，IC0，UCEEC，管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。饱和区发射结和集电结均为正向偏置。在饱和区IC不受IB的控制，管子失去放大作用，UCE0，ICECRC，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。放大区发射结正偏，集电结反偏。C）特征频率由于晶体管中PN结结电容的存在，晶体管的交流电流放大系数会随工作频率的升高而下降，当的数值下降到1时的信号频率称为特征频率。另外还有直流参数、交流参数也是选择晶体管时要考虑的因素。如指发射极开路，集电结的穿透电流。CBOI指集电极开路，发射结的穿透电流。E极间反向电流越小，说明管子的特性越好，受温度的影响会小些。发射极开路时，集基极间的反向击穿电压。这是集电极所允BRCOVBRCOV许加的最高反向电压。自然这个参数值是越高越好，同时考虑价格因素。基极开路时，集电极、发射极间的击穿电压。E集电极发射极饱和压降CSAT从上述的分析中，在考虑到本设计的要求，选用了N型硅双极型晶体管E13007。具体的参数如下（，）；3110CBOMAXI40CBVEI（，）；32EM9E（，）；337RINV1IA（，）；34BCOCBI（，）。3520ESATMAX50322滤波电路的设计滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。在设计交流滤波电路时，电源线引入的电磁噪声会对整个电路有影响。电源线噪声分为两大类共模干扰、差模干扰。考虑差模干扰和共模干扰的区别，设置电源线滤波电路，在其传输途径上使用差模或共模滤波元件抑制它们的干扰，以达到最好的滤波效果。3AFUSELF1C401UFC222NFC322NFC101UFRT1NTCAC220VLNFG图33开关稳压电源滤波电路在图33中C1和C4叫做差模电容，LF1叫做共模电感，C2和C3叫做共模电容。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。共模电感LF1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。通常使用环形磁芯，漏磁小，效率高，但是绕线困难。当市网工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗地传输。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。实际使用中共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被利用作差模电感。所以，一般电路中不必再设置独立的差模电感了。共模电感的差值电感与电容C1及C4构成了一个型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。除了共模电感以外，图中的电容C2及C3也是用来滤除共模干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容C2及C3起作用。电容C2、C3的选择要根据实际情况来定，由于电容C2、C3接于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要有高耐压、低漏电流特性。差模干扰抑制器通常使用低通滤波元件构成，最简单的就是一只滤波电容接在两根电源线之间而形成的输入滤波电路，只要电容选择适当，就能对高频干扰起到抑制作用。该电容对高频干扰阻抗甚低，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，它对工频信号的阻抗很高，故对工频信号的传输毫无影响。该电容的选择主要考虑耐压值，只要满足功率线路的耐压等级，并能承受可预料的电压冲击即可。为了避免放电电流引起的冲击危害，C1、C4电容容量不宜过大，一般在00101F之间。电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容。323开关管驱动电路的设计在321节中，我们选择了用双极型晶体管E13007作为功率元件，因为双极型晶体管的驱动电流的波形并不是一个完美的脉冲波，在开始时驱动电流比较大，随后慢慢衰减。如图34所示T/USIBIB1IB2IB3ONOFF图34基极驱动电流的波形然而驱动变压器输出的是一个方波信号。选择一个合适的驱动电路使得驱动变压器的输出信号尽量适合晶体管的基极驱动电流波形。这一点对于一个开关管的迅速导通和安全使用都是很重要的。本设计的基极驱动电路如图35所示。D1FR157D2FR157D3FR107R222KR415R1270KR327KR5270R622R727R815D4FR107AQ1E13007Q2E13007C1047UFC1147UF图35基极驱动电路系统中的开关管加速开关网络，提供了较为理想的驱动电流波形。电路如图35所示。电容C10、D3、R4、C11、D4、R8构成了开关管的加速开关网络。变压器一开始输出驱动脉冲信号，不但给加速开关网络中电容C10、C11充电，而且还通过二极管流向开关管的基极。因此流过晶体管基极的驱动电流IB比较陡，幅值大；随着充电的进行，电容上的电压逐渐建立，当电容充满电后，驱动信号只能通过二极管回路，显而易见此时的基极驱动电流幅值比电容未充满电之前要低，构成基极驱动电流的后半部分较平缓。电阻R1、R3、R5、R7是为了使开关管处于微导通状态。如果两个开关管Q1、Q2均处于关断状态，只有集电极漏电流的存在，而开关管Q1、Q2的集电极漏电流IC10、IC20是不可能完全一致的，从而导致A点电压不是位于中点电压，有一个较大的误差；例如300V的输入，理想情况下每个开关管各应承受150V的电压；如果没有设置均压电路，没有使开关管处于微导通状态，有可能上一个开关管承受较大的电压，如200V，下一个管子只承受100V，而半桥电路中输出变压器原边电压可能高于这个值，这种情况下电路是没有输出的，这无疑降低了变换器的输出效率。如果有了分压网络，能给开关管Q1、Q2的基极提供电流IB1、IB2，并使得IB1IB2，在集电极上就有IC1IC2，而IC1IC10，IC2IC20，使得由于漏电流的不一致性导致对中点电位的影响微乎其微。例如IC1005MA，IC2004MA，分压网络使得IB1IB2005MA，假设晶体管的电流放大倍数，则有IC1IC25MAIC1005MA，从而消除了由于开关管的特性不10一致而导致的影响，A点电压位于输入电压中点值。驱动变压器产生脉冲信号,2TTL494脉宽调制器的8脚和11脚输出分别驱动晶体管Q3、Q4,经过三极管放大之后,再驱动变压器。这样也实现强电和弱电信号的隔离。图中D7、D8是射极自2T举电路，C12是旁路电容。33开关电源PWM控制电路的设计开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。而调节开关电源的占空比，可使输出电压基本上不随负载变化或输入电压变化而变化的这种方法叫做脉宽调制法。现在有许多的脉宽调制控制器，主要的生产厂家像美国德州的TI公司，其生产的脉宽调制控制器有TL598，SG2524，TL494等，而本设计中选用的是TL494型的脉宽调制器，其能够产生两路PWM输出，并且具有稳压、限流及保护功能。12345678ININFBTCTRTGNDC1161514131211109ININCOMVCCC2E2E1TL494图36TL494管脚分配图331TL494的简介TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO16和PDIP16两种封装形式，以适应不同场合的要求，其主要的特征如下A）集成了全部的脉宽调制电路；B）片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅有两个（一个电阻和一个电容）；C）内置误差放大器；D）内置5V参考基准电压源；E）可调整死区时间；F）内置功率晶体管可提供500MA的驱动能力；G）推或拉两种输出方式。332TL494的工作原理TL494的内部器件是由锯齿波发生器、触发器、比较器、误差放大器1和2、5V基准电源与两个驱动晶体管等组成。它是一种脉宽调制型开关电源集成控制器。管脚分配如图37所示。脚1、2和脚15、16分别为两个比较器输入端；脚3为相位控制端；脚4为死区电平控制端；脚5、6为振荡器的R、C输入端；脚8、9和脚11、10分别为两个内部驱动晶体管的集电极发射极，通过它们发出的脉冲可以控制变换器开关管的交替导通。脚13为输出状态控制端，当脚13为低电平时，两个内部驱动晶体管同时导通或截止，此时只能控制变换器的一个开关管，就形成单端输出；当脚13为高电平时，就可推挽输出。123123入入入入入入入QQQ1Q2VCC89111012VCC131221入入入入入3入入PWM入入入入入1516GND71450VVREF012V07V07MA45CTRTCTRT6入入入入入入图37TL494的内部结构图输出脉波宽度调变之达成可借着在电容器CT端的正锯齿波形与两个控制信号中的任一个做比较而得之。电路中的NOR闸可用来驱动输出三极管Q1与Q2，而且仅当正反器的时钟输入信号是在低准位时，此闸才会在有效状态，此种情况的发生也是仅当锯齿波电压大于控制信号电压的期间里。当控制信号的振幅增加时，此时也会一致引起输出脉波宽度的线性减少。如图38所示图38TL494控制器时序波形图外部输入端的控制信号可输入至脚4的截止时间控制端，与脚1、2、15、16误差放大器的输入端，其输入端点的抵补电压为120MV，其可限制输出截止时间至最小值，大约为最初锯齿波周期时间的4。当13脚的输出模控制端接地时，可获得96最大工作周期，而当13脚接制参考电压时，可获得48最大工作周期。如果我们在第4脚截止时间控制输入端设定一个固定电压，其范围由0V至33V之间，则附加的截止时间一定出现在输出上。PWM比较器提供一个方法给误差放大器，乃由最大百分比的导通时间来做输出脉波宽度的调整，此乃借着设定截止时间控制输入端降至零电位，而此时再回授输入脚的电压变化可由05V至35V之间，此二个误差放大器有其模态COMMONMODE输入范围由03V至VCC2V，而且可用来检知电源供给器的输出电压与电流。误差放大器的输出会处于高主动状态，而且在PWM比较器的非反相输入端与其误差放大器输出乃为或闸OR运算结合，依此电路结构，放大器需要最小输出导通时间，此乃抑制回路的控制，通常第一个误差放大器都使用参考电压和稳压输出的电压做比较，其环路增益可依靠回授来控制。而第3脚通常用做频率的补偿，它主要目的是为了整个环路的稳定度，特别注意的是运用回授时必须避免第3脚输入过载电流大于600A，否则最大脉波宽度将会被不正常的限制，此两种误差放大器，都可利用不管是正相或反相放大都可用来稳压。第二个误差放大器可用来做过电流检知回路，可使用检知电阻来与参考电压元作比较，这回路的工作电压接近地端，而此误差放大器的转换速率SLEWRATE在7V之VCC时为2V/S。但无论如何在高频运用中。由于脉波宽度比较器和控制逻辑的传播延迟使得他不能用为动态电流限制器。它可运用于恒流限制电路或者外加元件作成电流回叠CURRENTFEEDBACK的限流装置，而动态电流限制最好能使用截止时间控制输入端的第4脚。当电容器CT放电时，在截止时间比较器输出端会有正脉波信号输出，此时钟脉波可控制操作正反器，且会抑制输出三极管Q1与Q2，若将输出模控制的第13脚连接至参考电压准位线，此时在推挽式操作下，则两个输出三极管在脉波信号调变下会交替地导通，这时每一个输出的转换频率是振荡器频率的一半。当以单端方式SINGLEENDED操作时，最大工作周期须少于50，此时输出驱动可出三极管Q1或Q2取得，若在单端方式操作下需要较高的输出电流，可以将Q1与Q2三极管以并联方式连接，而且输出模控制的第13脚必须接地，则使得正反器在失效DISABLE状态，此时输出的转换频率乃相当于震荡器之频率。因此TL494约两个输出级可以用单端方式或是推挽式来输出，两个输出关系是不被拘束的，两个集极和射极都有输出端可以利用，在共射极状态下，集极和射极电流在200MA时，集极和射极饱和电压大约在11V，而在共集极结构下的电压是15V，在输出过载之下两个输出都有保护作用，一般这两个输出在共射极的转换时间为，所以我们可以知道其转换速度非常地快，操作频率可达300KHZ，在25时输出漏电流一般都小于1。333TL494外围电路的设计D9MUR1620D10MUR1620D11FR104D12FR104T1T2DIODEQ4C1815L1R2801/3WR2447KR2615KN2N3N4N5N1N3N4N5N1N2D5FR104R2239KR2139KD6FR104D71N4001D81N4001R111KR101KR2539KR273KR2322KR2056KR1510KR1675KC1710NF75166131441121511891023IC1TL494C2010NFC131NFC161NFR1222KR1447KC1810NFC1422NFC15330PFR1956KR1310KR183KR1756KC1247UFC1947UFC22470UF/63VC2147UFQ3C1815图39TL494外围电路设计如图39所示，TL494的外围电路的设计比较固定，这里分几个部分简单介绍。A软启动保护由前面的介绍可知，TL494的4脚是芯片的死区控制端。该脚上的落地电阻R13，还有跨接在14脚（内部基准电源端）之间的电容C19，在开机时，落地电阻上没有电流流过，R13上无电压。随着输入电源给电容C19充电，R13上开始流过电流，即4脚上开始建立一定的电压，芯片开始工作。这就是软启动。可见，充电电容C19的值决定了软启动的快慢。C19越大，软启动过程越短。而死区时间的大小由落地电阻R13上的电压决定，该值越高，死区时间越长。B恒流控制开关电源输出电压电流稳定是一个很重要的要求。TL494提供的内部基准电源和两个误差放大器可以很方便的实现这些功能。在此系统中，电阻R28串接在T1次级绕组N2和N3的中间抽头与输出地之间，作用是监控快充充电电流和过流保护。当充电电流超过恒定值1C时，R28上的压降增大，该压降经并联电阻R24、R25反馈到IC1的15脚，使其电位变负，低于IC1的16脚，则内部电流误差放大器输出高电平，使IC1的8脚和11脚输出的PWM信号的脉冲变窄，从而缩短Q1和Q2的导通时间，使输出电压下降，维持充电电流恒定；随着充电时间的延长，电池电压逐渐升高，充电电流按指数规律下降，IC1的15脚电位按指数规律上升，则IC1的8脚和11脚输出的PWM信号脉冲变宽，从而延长Q1和Q2的导通时间，使输出电压升高，充电电流保持恒定。C恒压控制同恒流控制类似，恒压控制也是利用了内部电压误差放大器和输出电压之间构成的负反馈。如图38所示，电阻R15、R16、R17、R18及电容C16、C17组成电压取样电路，取样电压输入到IC1的1脚。当输出电压在允许电压值内时，误差放大器没有输出，驱动晶体管输出固定占空比的脉冲信号；一旦输出过电压，反馈到1脚的电压高于2脚的电压，则放大器输出高电平，降低驱动晶体管输出脉冲的占空比，使IC1的8脚和11脚输出的PWM信号的脉宽改变，从而使Q1、Q2的导通时间改变，维持输出电压恒定。D其他IC1的5、6脚分别接定时元件C13和R12，构成三角波震荡器，其中R1222，C131UF。三角波的振荡频率为。3脚和15脚之间、3脚K12/ZFRCKH和2脚之间的RC网络都是滤波电路，分别根据电容电阻设定值去除相应频段的干扰。13脚直接接到14脚（5V基准电压），使两个驱动晶体管工作于推挽输出方式。芯片内驱动晶体管射级9、10脚接地，集电极8、11脚输出分别驱动外部电路中的晶体管Q3、Q4，放大进而输出给驱动变压器，激励主开关管Q1、Q2。34辅助电源电路的设计电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78系列和负电压输出的LM79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO220的标准封装，也有LM9013样子的TO92封装。用LM78/LM79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，且有一定的电压、电流输出，能够获得不同的电压和电流，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7806表示输出电压为正6V，LM7909表示输出电压为负9V。而LM7805的输出电流可达1A，输出电压有5V，具有过热保护和短路保护的特点，根据这些特点设计出了本设计的辅助电源电路如图310所示。1234B2IN40014T3R451KR461KR47510RLEDVIN1GND2VO3IC4LM7805C28100UF/10VC27470UF/16V图310辅助电源电路辅助电源由工频变压器T3、整流元件B2、滤波元件C27、C28和三端稳压集成电路IC4（7805）组成，为单片机提供（5）电源电压。采用这种为单片机单独供电方式，可以增强抗干扰能力，提高可靠性。同时为单片机提供50HZ计时脉冲信号。35充电控制电路的设计根据本系统的特点，硬件电路采用单片机控制系统来实现。而单片机的种类繁多，大致可以分为三类通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。下面是对两种典型单片机的介绍对比选择其中一种作为本设计的控制系统的中心控制芯片。351单片机的选择AAT89C2051单片机A）AT89C2051单片机的介绍AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS的8位单片机，片内含2KBYTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128BYTES的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微处理器。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS51指令集和引脚结构兼容。它的标准功能有2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。B）AT89C2051单片机的引脚图图311AT89C2051单片机引脚图AT89C2051芯片的20个引脚功能为VCC电源电压。GND接地。RST复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡放大器的输出。P1口8位双向I/O口。引脚P12P17提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P10和P11需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20MA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。P3口P3口的P30P35、P37是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。P36用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20MA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。RST复位输入。RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。XTAL1作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。XTAL2作为振荡器反相放大器的输出。BPIC16C54单片机A）PIC16C54单片机的介绍PIC16C54属CMOS单片机，是一个低价位高性能8位单片机，具有体积小，功耗低，性能强，体密性高，价格低等特点。使用率仅有33条精简指令集、单字节单周期指令，每条指令执行时间最快可达200NS。易于记忆和使用的指令系统可大大减少产品的开发时间。它有两个双向I/O口线，其中A口作为输入，用来检测四种工作方式的按键情况，B口中除了RB0作为输入，用来检测电流强度控制键的按键情况外，其余都用作输出，其中RB2RB7分别用来控制六档电流强度指示灯点亮和关闭；RB1用于输出脉冲信号，该信号经刺激隔离器，耦合到刺激电极上输出，它的振荡源有四种，晶体振荡（XT），低功耗振荡（LP），高速振荡（HP）及RC振荡。实多种时钟振荡电路睡眠低功耗省电模式及WDT（看门狗）带码保护功能，这些特性具有较大优势。PIC16C54系列单片机可广泛应用于电机控制、汽车电路、家用电器等领域。BPIC16C54单片机主要性能RISC精简指令集，指令仅有33条，指令长度为12位绝大部分均为单机器周期指令。工作速度高，最快可达200NS（20MHZ时钟时）数据长度为8位片内程序存储器容量为5122KBYTE片内静态数据存储器SRAM为2573BYTE硬件组成7个专用寄存器两级硬件堆栈有直接、间接、相对和位寻址功能1220条I/O引脚，每条引脚均可设置为输入和输出态多种时钟振荡电路及WDT定时器电路宽工作电压范围和低功耗模式工作电压为25V60V，典型工作电流为2MA，睡眠状态仅为3UA。CPIC16C54单片机引脚图图312PIC16C54单片机引脚图PIC16C54单片机的引脚功能为RA0RA3I/O输入输出口A，对应内部的F5，是一个4位I/O端口，可位控。RB0RB7I/O输入输出口B，对应内部的F6，是一个8位I/O端口，可位控。RTCC实时时钟/计数器输入端，在此端口输入信号的上升沿或下降沿计数，边沿可通过软件选择。MCLR主复位端，当MCLR为低电平时对单片机复位。OSC1振荡信号输入端。这个端口用于外部振荡信号的输入，用RC振荡时，它接RC电路，用石英振荡电路时，接石英晶体一端。OSC2振荡信号输出端。在用石英晶体振荡器或陶瓷振荡器时通过一个串联电阻R接振荡晶体一端，在RC振荡时常作CLKOUT输出（CLKOUT1/4FOSC）。VDD电源电压。一般为5V，其范围在25625V之间。VSS地端。对比两个单片机我们可以发现PIC16C54单片机更适合本设计的要求。352控制电路的设计Q7C1815BATR3324KR3210KR3610KR4356KR3833KR39510KR31680KR1510KR1675KC1710UFC161UFR1310KR183KR1756KGLEDYLEDR4256KC2310UF32184IC2ALM358R4156KR3710KRT2PTCRTCC3MCLR4RB17RB28OSC215OSC116VSS20VCC14RA017RA118RB06IC3PIC16C54D13IN4148R3420KR3582KC2510UFR4056KR44510C2610UFX1657IC2BLM358C2447UFC1947UF图313控制电路的电路图电路包含控制主芯片PIC16C54、振荡电路、复位电路。振荡电路是由晶体振荡器及电容构成；复位电路是由二极管、电阻及极性电容构成。快充阶段，IC3的6脚输出高电平，经电阻R32接至Q7的基极，使斩波开关导通，通过电流监控电路，以恒定电流对蓄电池充电。到达快充时间时，IC3的6脚输出低电平，关断斩波开关，停止充电，快充阶段结束。慢充阶段，IC3的6脚输出PWM控制信号，使斩波开关以固定的占空比导通，充电器以恒定电压对蓄电池充电，此时充电电流随着蓄电池电压的上升，按指数规律下降。当蓄电池电压上升到规定值时，由电阻R33、R34、R35对蓄电池电压取样后，送至比较器IC2的3脚（同相输入端），与2脚（反相输入端）的基准电压比较，则1脚输出高电平，IC3的17脚输入高电平，经软件滤波和延时，判断检测无误后，结束慢充。涓流充阶段，IC3的6脚输出PWM控制信号，使斩波开关以较小的占空比导通，将充电电流维持在009C左右，对蓄电池充电。超温保护是通过附加在蓄电池上的正温度特性热敏电阻RT2、R36、R37实现的。当电池温度升高时，热敏电阻RT2的阻值增大，则IC2的5脚（同相输入端）电位上升；若电池温度升高到规定值时，5脚电位高于6脚（反相输入端）电位，则7脚输出高电平，IC3的18脚输入高电平，则IC3的6脚输出PWM信号，使充电器以浮充电压对蓄电池充电，有效地保护了蓄电池。系统用发光二极管表示充电状态。即快充和慢充阶段，绿色发光二极管亮；涓流充阶段，黄色发光二极管亮。4充电器软件设计41软件的功能基于单片机PIC16C54和TL494的智能铅酸蓄电池充电器的程序需要完成以下的功能A）实现充电器的三段式充电。B）通过温度和时间的检测判断充电的阶段并通过LED显示。42PIC系统指令设计421指令系统基本说明PIC16C54每条指令长12位，指令由操作码和操作数组成。PIC16C54共有33条指令，按操作分成三大类A）面向字节操作类这类指令共有18条，包括有数据传送、算术和逻辑运算、数据移位和交换等操作。它们的操作都是在W数据