鉛酸蓄電池充電裝置的設(shè)計方案

1 鉛酸蓄電池充電裝置的設(shè)計方案 1 概述 題研究的背景 電池是一種化學(xué)電源，是通過能量轉(zhuǎn)換而獲得電能的設(shè)備。也被稱為可再充電電池或蓄電池被激活的充電電池的放電后的活性物質(zhì)繼續(xù)使用的二次電池。當(dāng)對電池充電時，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，實現(xiàn)向負(fù)荷供電，伴隨吸熱過程。應(yīng)用過程中的可充電電池，充電器是使用的設(shè)備，是其成功的關(guān)鍵，可充電電池一問世，充電器設(shè)計就是一個關(guān)鍵問題，因為直接影響充電電池的兩個重要方面：充電電池的使用容量及循環(huán)壽命。因此，直到二十世紀(jì)中葉，充電器的技術(shù)都沒有取得大的進展，常用的恒流或恒壓充電 方法，效果比較差。這種情況一直持續(xù)，直到六十年代 現(xiàn)可接受的電池充電電流的大小隨時間而減少這一規(guī)律，證實恒流或恒壓充電是不是最合適的方法。根據(jù) 出了兩階段，三階段的多段充電方式。所謂的兩階段的第一階段以恒定電流或恒定電壓對電池進行充電，當(dāng)電池電壓達到一定的水平，然后涓流充電；所謂的三階段充電先以恒定電流充電，直到電池電壓達到一定值時，轉(zhuǎn)入第二階段，即恒定電壓充電階段，當(dāng)電流降到某種程度時，進入第三階段涓流充電。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鉛酸蓄電池充電技術(shù)已較 為成熟。 由于使用這種電池的性能接近鎳鎘電池，而且不需要維護，國內(nèi)鉛酸電池使用量逐漸增加。充電器在近幾年的進步已經(jīng)取得明顯進步的標(biāo)志就是世界上最的半導(dǎo)體制造商紛紛推出自己的充電芯片，其中一些還帶有中央處理器。 本文也將應(yīng)用單片機 計一款智能型鉛酸蓄電池充電器。 題研究的意義 由于鉛酸電池有許多因素影響電池的壽命和容量，為了提高效率，消除偏振，縮短充電時間，在分析鉛酸電池的充電特性的基礎(chǔ)上，集合涓流充電和恒定電流，恒定電壓充電， 控制器，脈寬調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點，根據(jù)電壓、電 流反 2 饋自動調(diào)節(jié)充電脈沖寬度，設(shè)計一個可以在系統(tǒng)控制下進行三階段充電的鉛酸蓄電池智能充電器。該充電器根據(jù)設(shè)計的充電方法對 12V、 4電池充電。該充電器的一些技術(shù)指標(biāo)有： a）基本輸入：單相 2205%， 502%； b）充電參數(shù)：快充時充電電流為 4A，慢充時充電電壓為 充時充電電壓為 c）環(huán)境溫度： 50：空氣相對濕度不超過 85%。 2 充電方案的選擇及系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 題的總體設(shè)計方案 該設(shè)計采用逐個功能模塊分析再組合的方法來實現(xiàn)方案。分別對充電控制電路，開 關(guān)電源 關(guān)電源主回路中的濾波電路、開關(guān)管的驅(qū)動電路以及輔助電源電路和顯示電路進行了分析設(shè)計。然后對每一部分的具體電路的特點進行組合。軟件方面闡述了軟件實現(xiàn)的功能，說明了 制了程序流程圖，分析和解釋了程序。 電方法的選擇 鉛酸蓄電池充電方法的選擇是至關(guān)重要的，不同的充電方法差別很大，充電效果有很大的差距，對電池性能的影響也不相同。選擇最合適的充電方法，你應(yīng)該考慮使用充電電池的頻率，放點的放大倍率以及其他因素。下面是對不同充電方法的簡要概述： 流充電 充電器的交流電源電壓通常是波動的，充電需要的是直流恒流電源。當(dāng)使用恒定電流充電時，電池可以具有高充電效率，可以很容易地根據(jù)充電時間來決定是否充電中止，并且還可以改變的電池的數(shù)目。恒流電源充電電路如圖 示。 圖 恒流電源充電電路 3 壓充電 在該充電模式中，充電電路隨電池兩端的電壓波動而變化，初始充電電流比較大，到最后階段，充電電流變小。充電電流中的最大充電電流應(yīng)設(shè)置為最高充電電壓，以便將電池過度充電。 此外，在用恒壓方式充電時，充電電壓在充電末期達到峰值后會有所下降。電池充電電流會加大，會導(dǎo)致電池溫度上升。當(dāng)電池溫度上升時，電壓下降將導(dǎo)致熱失控的電池，電池的性能損壞，因此，不建議使用恒壓充電。 如圖 示： 圖 恒壓充電電路 充方式 在浮充模式下，電池以小電流（ C/30號 C/20）充電，以保持電池在完全充電的狀態(tài)。浮充法適用于電池作為應(yīng)急電源或備用電源的電氣設(shè)備。 常規(guī)浮充方式充電電路如圖 圖 浮充方式充電電路 充方式 電池與負(fù)載并聯(lián)，同時電池與直流電源（充電器）相連。 一般情況下，作為 4 負(fù)載的工作電源，直 流電源以涓流充電模式對電池進行充電，只有當(dāng)負(fù)載變大，在直流電源的端電壓低于電池端電壓或直流電源停止供電時，電池對負(fù)載放電。在這種方式下，充電電流由使用模式?jīng)Q定。它通常使用在緊急電源、備用電源或電子表等不允許斷電的場合。如圖 圖 涓流方式的簡單示意圖 階段充電方式 在分階段充電方式中，在電池充電的初始階段充電電流較大。當(dāng)電池電壓達到控制點時，電池轉(zhuǎn)為以涓流方式充電。 分階段充電模式是最好的電池充電模式，但缺點是，所述充電電路的復(fù)雜性和更高的成本。 另外， 需增設(shè)控制點的電池電壓的監(jiān)測電圖。如圖 圖 分階段充電的簡單示意圖 鉛酸蓄電池往往采用恒壓充電或恒流充電。 恒壓充電的初始充電電流過大，影響電池壽命鉛酸電池，甚至可能導(dǎo)致極板彎曲，損壞電池。因此，大量的鉛酸蓄電池充電電路以恒流充電方式充電，恒流充電電路始終是一個恒定的充電電流給電池充電，直到電池充滿后關(guān)斷電路，或進入浮充形式。 相比而言，恒流充電對蓄電池的壽命是有好處的。而且恒流充電具有較大的電流充放電，使充放電的速度大大加快。 但是，如果恒定電流充電，充電電流，以保持原始值，大部分電 流消耗在分解水上，使冒氣非常強大，電解液沸騰十分激烈，不僅消耗能量，而且容易使極 5 板活性脫落，對極板極其不利。 因此，對于鉛酸蓄電池分階段充電方法是一個更好的辦法，因為在充電過程中的，充電電流逐漸下降。使用這種方法中，充電結(jié)束的電解質(zhì)沸騰現(xiàn)象減弱，能量損失少，而且保護極板，以防止過度充電和水解帶來的功率損耗。 分析幾種充電方式，綜合快充和慢充鉛酸電池充電器設(shè)計的優(yōu)勢。使用微控制器控制的充電器，充電過程分為快速充電，慢速充電，涓流充電三個階段，充電更好。 統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 圖 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 個充電裝置由 單片機控制系統(tǒng)， 斬波電路，輔助電源電路，電流電壓反饋電路，隔離驅(qū)動電路和電源變換電路組成。 單片機控制系統(tǒng)由 其外圍電路組成，單片機接收到電壓電流檢測電路反饋的信號后，控制斬波電路的導(dǎo)通，使電壓或電流穩(wěn)定。 斬波電路由晶體管組成，主要作用是可以實現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)從而達到電流電壓穩(wěn)定的效果。 輔助電源電路是將整流的電壓降壓，濾波，為單片機提供工作電壓。 電流電壓檢測電路是檢測蓄 電池兩端的充電電壓或充電電流是否穩(wěn)定的設(shè)定值。 電源變換電路由濾波電路和整流電路組成，將市網(wǎng)電處理。 驅(qū)動隔離電路的主要作用是有基極驅(qū)動電路驅(qū)動變壓器輸出。 章小結(jié) 本章著重對比各種充電方案，綜合各種充電方案的優(yōu)點，確定了充電器的設(shè)220V 交流電源 電 源 變換電路 輔 助 電源 斬 波 電路 單片機 隔離，驅(qū)動電路 鉛酸蓄電池 電流、電壓檢測電路 6 計方案，以單片機為控制核心的恒流 恒壓 恒流三階段充電方式。搭建了系統(tǒng)的總體框圖，接下來就總體框圖來進行各部分的硬件設(shè)計。 3 充電器硬件部分的設(shè)計 電器的充電過程及工作原理 電過程分析 圖 該充電器的充電電流、電壓 曲線。 U ( t )I ( A ) 、 U （ V ）1 t ）0 . 0 9 C0 t ( h )快 充 慢 充 涓 流 充t 1 t 2 t 3圖 電器的充電電流、電壓曲線 可以看出，在圖 充階段（ 0至 充電器以恒定電流 1單片機控制快速充電時間，避免充電過量，慢充階段（ 單片機輸出 一個恒定的電壓，對電池進行充電時，充電電流呈指數(shù)下降，當(dāng)電池電壓上升到規(guī)定值時，慢充結(jié)束；進入涓流充電階段（ 單片機輸出的 充電器以約 此狀態(tài)下，很長一段時間，可以對電 池進行充電，從而延長電池壽命。 電器的工作原理 根據(jù)框圖中所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，鉛酸蓄電池的充電裝置的原理圖，主要包括開關(guān)穩(wěn)壓器的，斬波器開關(guān)，控制器和輔助電源四個部分，并設(shè)有過電流保護，過電壓保護和過溫保護。交流電流輸入整流電路和輔助電源，輔助電源給單片機提供工作電壓，再輸入半橋式轉(zhuǎn)換器，然后通過使用 用單片機控制半橋變換器斬波開關(guān)實現(xiàn)對蓄電池充電的智能控制，單片機還可以控制燈運行和停止，可以看到現(xiàn)在處于那個階段的充電狀態(tài)。在此示 7 意圖中，必須先設(shè)定值，然后由微 控制器控制的每個階段的充電。 具體的原理圖如圖 圖 電控制電路的設(shè)計 8 根據(jù)本系統(tǒng)的特點，硬件電路采用單片機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。 片機的選擇 片機，是一個低價位高性能 8位單片機，具有體積小，功耗低，性能強，體密性高，價格低等特點。僅使用了 33條精簡 指令集、單字節(jié)單周期指令，每條指令的執(zhí)行時間最快可達到 200于記憶和使用的指令系統(tǒng)可大大減少產(chǎn)品的開發(fā)時間。 它 有兩個雙向 I/，其中 為輸入， 來檢測電流強度控制鍵的按鍵情況外，其余都用作輸出， 信號刺激隔離器，耦合到刺激電極上輸出，它的振蕩源有四種，晶體振蕩（ 低功耗振蕩（ 高速振蕩（ 多種時鐘振蕩電路低功耗睡眠省電模式和門狗）代碼保護功能， 這些功能有更大的優(yōu)勢 。 車電路、家用電器等領(lǐng)域。 令僅有 33條，指令長度為 12位 絕大部分均為單機器周期指令。 工作速度高，最快可達 20020 數(shù)據(jù)長度為 8位 片內(nèi)程序存儲器容量為 512內(nèi)靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器 ( 25件組成 7個專用 寄存器 兩級硬件堆棧 有直接、間接、相對和位尋址功能 12，每條引腳均可設(shè)置為輸入和輸出態(tài) 多種時鐘振蕩電路及 器電路 寬工作電壓范圍和低功耗模式：工作電壓為 型工作電流為2眠狀態(tài)僅為 3 9 圖 ，與內(nèi)部的 一個 4位 I/O 端口，可進行位控。 ，與內(nèi)部的 一個 8位 I/O 端口，可進行位控。 計數(shù)器輸入計數(shù)在這個端口輸入信號的上升沿或下降沿，邊緣可通過軟件選擇。 此端 口用于外部振蕩信號的輸入，使用 它連接到 用石英晶體的一端連接到一個石英振蕩電路。 石英晶體諧振器或陶瓷諧振器通過一個串聯(lián)電阻 往 ）的。 般為 5V，其范圍在 制電路的設(shè)計 電路包含控制主芯片 蕩電路、復(fù)位電路。振蕩電路是由晶體振 10 圖 控制電路的電路圖 蕩器及電容構(gòu) 成；復(fù)位電路是由二極管、電阻及極性電容構(gòu)成。 快速充電階段， 腳輸出高電平，通過一個電阻器 7的基極，斬波器開關(guān)導(dǎo)通時，通過電流監(jiān)測電路，以恒定電流對電池進行充電。達到快速充電時間， 腳輸出低電平，斬波開關(guān)關(guān)閉，停止充電，快速充電階段的結(jié)束。慢速充電階段， 腳輸出 波開關(guān)到一個固定的導(dǎo)通占空比，充電器恒壓為電池充電，充電電流隨電池電壓上升指數(shù)下降。當(dāng)電池電壓 11 上升到一個預(yù)定值，電阻 送到比較器腳（同相輸 入端子），跟引腳 2（反相輸入端）的參考電壓比較， 1腳輸出高電平， 7腳輸出高電平，軟件過濾和延遲后，以確定檢測正確，慢充結(jié)束。涓流充電階段， 腳輸出 電電流維持在約 電池充電。 過熱保護是通過外接電池的正溫度特性熱敏電阻 電池的溫度升高，熱敏電阻 （同相輸入端）電位升高，電池溫度上升到一個特定的值， 5腳電位超 6腳（反相輸入端）的電位， 7腳高電平輸出， 8引腳輸入高電平， 腳輸出 充電器的浮動電壓給電池充電，有效地保護電池。 系統(tǒng)用發(fā)光二極管表示充電狀態(tài)。即快充和慢充階段，綠色發(fā)光二極管亮；涓流充階段，黃色發(fā)光二極管亮。 關(guān)電源 采用脈沖寬度調(diào)制（ 術(shù)，其特點是一個高頻率，高效率，高功率密度，高可靠性。脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)電源一般是一個模擬的控制模式下，按照與相應(yīng)的改變負(fù)載，通過調(diào)節(jié)偏置的晶體管的柵極或基極來實現(xiàn)的開關(guān)電源輸出晶 12345678I N +I N TC tR 1 61 51 41 31 21 11 09I N +I N MV c E 2E 1T L 4 9 4圖 體管或晶體管的導(dǎo)通時間，這種方式的變化，使得電源的輸 出電壓在工作條件的變化時保持恒定，是使用單片機的數(shù)字輸出來控制模擬電路的一個非常有效的方式。調(diào)節(jié)的開關(guān)電源的占空比，輸出電壓基本上不隨負(fù)載的變化或輸入電壓變化的方法稱為脈沖寬度調(diào)制方法。 12 現(xiàn)在有許多的脈寬調(diào)制控制器，主要的生產(chǎn)廠家像美國德州的 生產(chǎn)的脈寬調(diào)制控制器有 本設(shè)計中選用的是 能夠產(chǎn)生兩路 且具有穩(wěn)壓、限流及保護功能。 簡介 包含了開關(guān)電源控制所需的 全部功能，被廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式，半橋式，全橋式開關(guān)電源。 適應(yīng)不同場合的要求，其主要特點如下： 集成了全部的脈寬調(diào)制電路； 芯片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外接振蕩器件只有兩個（一個電阻和一個電容） 內(nèi)置誤差放大器； 內(nèi)置 5 可調(diào)整死區(qū)時間； 內(nèi)置功率晶體管可提供 500 推或拉兩種輸出方式。 工作原理 齒波發(fā)生器、觸發(fā)器、比較器、誤差放大器 1和 2、5V 基準(zhǔn)電源與兩個驅(qū)動晶 體管等組成。它是一種脈寬調(diào)制型開關(guān)電源集成控制器。管腳分配如圖 示。腳 1、 2和腳 15、 16分別為兩個比較器輸入端；腳3為相位控制端；腳 4為死區(qū)電平控制端；腳 5、 6為振蕩器的 R、 8,9腳 11,10腳分別為兩個內(nèi)部驅(qū)動晶體管集電極 、 發(fā)射極。他們所發(fā)出的脈沖，可控制轉(zhuǎn)換器開關(guān)交替導(dǎo)電管。引腳 13 為輸出控制端子，兩個內(nèi)部驅(qū)動晶體管導(dǎo)通或關(guān)閉時，引腳 13 為低電平，轉(zhuǎn)換器只能控制一個開關(guān)，以形成一個單端輸出 ;當(dāng)腳 13為高電平時，就可推挽輸出。 達到輸出的脈沖寬度調(diào)制，可以通過任何一個在電容器 的鋸齒波形與兩個控制信號來比較。僅當(dāng)鋸齒波電壓時， 1和 有當(dāng)正反器的時鐘輸入信號是在低的水平，這個門會是在有效狀態(tài)，這種情況的發(fā)生是鋸齒波信號電壓大于控制信號電壓的期間。 當(dāng)控制信號的振幅增加時，此時也會一致引起輸出脈波寬度的線性減少。如圖 13 圖 14 圖 制器時序波形圖 15 控制信號可以是外部輸入端子輸入在引腳 4控制端子的截止時間，誤差放大器的輸入端腳 1,2,15,16與其輸入端點的抵補電壓為 120制輸出截止時間降至最低，約為最初鋸齒波的周期時間約 4。當(dāng) 13腳輸出模式控制接地時，獲得的最大占空比為 96，當(dāng) 13腳接系統(tǒng)的參考電壓，最大占空比為 48。如果我們控制輸入引腳 4截止時間設(shè)定一個固定的電壓范圍從 0個額外的截止時間必須出現(xiàn)在輸出。 是確定的最大百分比的時間做了調(diào)整輸出的脈沖寬度控制輸入至零電位，但這次返回授予輸入腳的電壓的變化可以是 個誤差放大器的模態(tài)（共模）輸入范圍從 作電壓） 2V，可以用來檢測電源供給器的輸出電壓和電流。 誤差放大器的輸出是高主動的狀態(tài)，并且它們的誤差放大器的輸出與 算，所以電路結(jié)構(gòu)，放大器需要一個最小的輸出上的時間，控制抑制回路，通常第一個誤差放大器的參考電壓和穩(wěn)定的輸出電壓進行比較，可以依靠反饋控制環(huán)路增益。 3腳通常用作頻率補償，其主要目的是為整個環(huán)路的穩(wěn)定性，特別注意的是必須避免使用反饋引腳 3輸入過載電流大于 600則最大脈沖寬度是不正常的限制，兩個誤差放大器，都可以利用正相或反相放大 來穩(wěn)壓。第二誤差放大器可以用來做電流檢測電路，檢測電阻與參考電壓元比較，回路電壓在接近地時，該誤差放大器的轉(zhuǎn)換率在 7V 至 s。但是，在任何情況下，在高頻用途中。脈沖寬度比較器和控制邏輯的傳播延遲，使他不能用于動態(tài)電流限制器。它可以應(yīng)用到恒定電流限制電路或外部組件使電流回疊（電流反饋回路）限流裝置，動態(tài)電流限值優(yōu)選為能夠使用的控制輸入端的截止時間引腳 4。 當(dāng)電容 截止時間比較器的輸出將是正脈沖信號輸出，該時鐘脈沖控制操作的觸發(fā)器，抑制了輸出晶體管 2，輸出模式控制部分 13 腳的位線連接到參考電壓電平，此時為推挽操作，這兩個輸出的脈沖信號的調(diào)制晶體管被交替地導(dǎo)通，那么每一個輸出的開關(guān)頻率為振蕩器頻率的一半。 當(dāng)工作在單端模式，最大占空比不得低于 50，輸出由驅(qū)動晶體管 2取得，單端操作需要更高的輸出電流，可把 出模式控制腳 13必須接地，觸發(fā)器的失效狀態(tài)（禁用），輸出的開關(guān)頻率等于振蕩器的頻率。 個輸出之間的關(guān)系是不 16 具約束力，雙方的集電極和發(fā)射極輸出可以采用共發(fā)射極狀態(tài)，基極和發(fā)射極電流在 200 電壓下的共基極結(jié)構(gòu)基極極和發(fā)射極飽和電壓為 15V，輸出設(shè)置下兩個輸出有一定的保護作用，一般兩個共發(fā)射極輸出轉(zhuǎn)換時間，因此，我們可以知道轉(zhuǎn)換速度非?？?，工作頻率高達 300出漏電流在 25時一般小于 1 圍電路的設(shè)計 圖 如圖 外圍電路的設(shè)計比較固定，這里分幾個部分簡單介紹。 （ 1）軟啟動保護 17 由前面的介紹可知， 腳是芯片的死區(qū)控制端。 該腳的落地電阻 及跨接在 14 腳（內(nèi)部 參考電源端子）之間的電容 開機的時候，落地電阻 沒有電流流過， 無電壓。隨著輸入電源給電容 電， 4腳上開始建立一定的電壓，芯片開始工作。這就是軟啟動?？梢?，充電電容 值決定了 軟啟動的快慢。 大，軟啟動過程越短。死區(qū)時間的大小，是由落地電阻 壓越高，死區(qū)時間越長。 （ 2）恒流控制 開關(guān)電源輸出電壓電流穩(wěn)定是一個很重要的要求。 在這個系統(tǒng)中，電阻 級繞組 1 之間的中間抽頭和輸出地之間，用來監(jiān)測快速充電電流和過電流保護。 當(dāng)充電電流超過一個恒定值 1C， 過分流電阻 25 反饋到 15 腳，其電勢變?yōu)樨?fù)值，低于 管腳 16，內(nèi)部電流誤差放大器輸出為高電平， 引腳 8 和引腳 11 的 號的輸出脈沖變窄，從而使 2的導(dǎo)通時間縮短，因此，當(dāng)輸出電壓下降，以保持恒定的充電電流；隨著充電時間延長，電池電壓逐漸上升，充電電流呈指數(shù)下降， 15 腳電位指數(shù)增加， 和引腳 11輸出的 號 脈沖展寬，從而延長 出電壓升高，充電電流保持恒定。 （ 3）恒壓控制 同恒流控制類似，恒壓控制也是利用了內(nèi)部電壓誤差放大器和輸出電壓之間構(gòu)成的負(fù)反饋。如圖 示，電阻 電容 成電壓取樣電路，取樣電壓輸入到 腳。 當(dāng)輸出電壓在允許范圍內(nèi)的電壓值，誤差放大器的輸出驅(qū)動晶體管輸出一個固定占空比的脈沖信號 ;一旦輸出過電壓，反饋到 1腳的電壓高于 2腳的電壓，則放大器輸出高電平，降低驅(qū)動晶體管輸出脈沖的占空比，使 8 腳和 11 腳輸出的 號的脈寬改變，從而使 持輸出電壓恒定。 （ 4）其他 5、 6 腳分別接定時元件 成三角波震蕩器，其中2k ， 角波的振蕩頻率為： 1 ( ) C K H 。 3腳和 15腳， 18 3 腳和 2 腳之間的 絡(luò)濾波電路，根據(jù)電容電阻的設(shè)置值，濾除相應(yīng)頻段的干擾。 13 腳直接連接到 14 引腳（ 5V 參考電壓），這兩個驅(qū)動器晶體管工作方式為推挽輸出。芯片驅(qū)動晶體管的發(fā)射極 9,10 腳接地 ，集電極 8,11 腳輸出驅(qū)動外部電路晶體管 大，然后輸出驅(qū)動變壓器，激勵主開關(guān) 關(guān)電源主回路設(shè)計 率開關(guān)元件的選用 目前在開關(guān)電源中用得比較多的開關(guān)器件主要有電力晶體管 極可關(guān)斷晶體管 效應(yīng)晶體管 絕緣柵極雙極型晶體管 。是 于具有功率 高速性能與雙極型器件的低電阻特性的功率元件。但目前由于價格方面的原因，還只 能用在高功率變換的場合。通常我們選擇 ，主要考慮漏源擊穿電壓 導(dǎo)通電阻 ()漏源擊穿電壓 是漏區(qū)和溝道體區(qū) 上的反偏電壓。這個電壓決定了器件的最高工作電壓。導(dǎo)通電阻是一個非常重要的參數(shù)，它是等效于雙極性晶體管功率器件的飽和電阻。漏源擊穿電壓值 ，導(dǎo)通電阻 ()，限制了功率場效應(yīng)管在高反向電壓開關(guān)電源的應(yīng)用。場效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài)時，漏源極之間的電壓也是必須考慮的一個參數(shù)。鑒于目前工藝狀況導(dǎo)通電阻 ()大，約 1歐姆左右。低導(dǎo)通電阻 ()啟電壓 ( ) ( )D S O N D S O N I ，相當(dāng)于雙極晶體管的飽和電壓，選擇的雙極型晶體管 大飽和電壓為 綜上所述，雙極型晶體管的飽和壓降還是比較小。特 別是成本也比 低得多。 雙極型晶體管 由兩個背靠背 起源于 1948 年發(fā)明的點接觸晶體管，在 20 世紀(jì) 50 年代初，發(fā)展成一個現(xiàn)在被稱為雙極型晶體管的結(jié)型晶體管。這種晶體管有兩種基本結(jié)構(gòu)： 這 3層半導(dǎo)體中，中間一層稱基區(qū)，外側(cè)兩層分別稱發(fā)射區(qū)和集電區(qū)?；鶇^(qū)注入少量的電流時，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)之間形成一個更大電流，即晶體管的放大作用。 下面是 雙極型晶體管的特點： 輸入特性曲線：描述了管壓降 為輸入的伏安特性提 19 到的基極電 流 發(fā)射極結(jié)電壓降 間的關(guān)系，可以表示為：硅管的導(dǎo)通電壓約 管的導(dǎo)通電壓約 輸出特性曲線：基極電流 電極電流 分為三個區(qū)：截止區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置。 ， ，C，管子失去放大能力。如果把三極管當(dāng)作一個開關(guān)，這個狀態(tài)相當(dāng)于斷開狀態(tài)。飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置。在飽和區(qū) 子失去放大作用， ， C 三極管當(dāng)作一個開關(guān)，這時開關(guān)處于閉合狀態(tài)。放大區(qū)： 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 特征頻率：由于在晶體管的 體管的交變電流的放大系數(shù)隨工作頻率的增大而減小，該值下降到 1時，信號的頻率被稱為特征頻率。 另外還有直流參數(shù)、交流參數(shù)也是選擇晶體管時要考慮的因素。如： 指發(fā)射極開路，集電結(jié)的穿透電流。 指集電極開路，發(fā)射結(jié)的穿透電流。 極間反向電流越小，說明管子的特性越好，受溫度的影響會小些。 ()發(fā)射極開路時，集 )這是集電極所允許加的最高反向電壓。自然這個參數(shù)值是越高越好，同時考慮價格因素。 ()基極開路時，集電極、發(fā)射極間的擊穿電壓。 ()集電極 從上述的分析中，在考慮到本設(shè)計的要求，選用了 體的參數(shù)如下： () 100C B O M A （ 400， 0 ）； ()1 m A （ 9， 0 ）； ( ) ( ) 700B R C B O M （ 1CI ， 0 ）； ( ) ( ) 400B R C E O M （ 10CI ， 0 ）； ( ) ( ) 2 . 0C E sa t M A （ 5， ）。 ( 20 波電路的設(shè)計 濾波電路常用于濾除整流之后的輸出電壓中的紋波，通常由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)的電容 C，或與負(fù)載串聯(lián)的電感 L，以及由電容，電感組成的各種復(fù)式濾波電路。 在設(shè)計交流濾波電路時， 電源 線引入的電磁噪聲會對整個電路有影響。 電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾。 考慮差模干擾和共模干擾的區(qū)別，使用差?；蚬材V波器元件設(shè)置電源線濾波器電路抑制其在它的傳輸信道的干擾，以達到最佳的濾波效果。 圖 關(guān)穩(wěn)壓電源濾波電路 在圖 1 和 做共模電感， 3叫做共模電容。 差模濾波元件和共模濾波元件，有較強的差模和共模干擾的衰減效應(yīng)。 共模電感 數(shù)相同的兩個繞組構(gòu)成。一般使用環(huán)形磁芯，磁通泄露小，效率高，但是繞線困難。當(dāng)市網(wǎng)工頻電流在兩個繞組中流過時，一進一出，產(chǎn)生的磁場恰好抵消了，使得共模電感對市網(wǎng)工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損傳輸。如果市網(wǎng)中包含有共模噪聲電流，通過共模電感時，由于這種共模噪聲電流是同方向的，流經(jīng)兩個繞組時，產(chǎn)生的磁場同相 21 疊加，使得共模電感對干擾電流呈現(xiàn)出 較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。 實際使用中，兩個共模電感線圈由于卷繞過程的差異，但這種差異只是用來作為差模電感。因此，一般的電路沒有設(shè)立獨立的差模電感。共模電感的差值電感和電容器 4 構(gòu)成了一個 型濾波器 。 這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。 除了共模電感，電容 3也用于過濾出的共模干擾。共模濾波器的衰減主要是由工作在低頻率的電感器，而在高頻時由電容器 3的功能。電容器據(jù)實際情況來定，由于電容 以需要高壓力，低漏 電流特性。 差模干擾抑制器通常使用低通濾波器組件，最簡單的是兩根電源線之間連接一個濾波電容形成的輸入濾波電路的，只要選擇合適的電容，是能夠抑制高頻干擾的。此電容對高頻干擾是低阻抗的，兩個電源線之間的高頻干擾可以通過它的，其工頻信號的阻抗是高的，因此，沒有影響的工頻信號傳輸。電容器選擇的主要考慮因素是耐壓值，只要滿足耐壓等級，并能承受預(yù)期的電壓沖擊即可。 為避免放電電流引起的危害， 般選擇 間的陶瓷電容或聚酯薄膜電容器。 關(guān)管驅(qū)動電路的設(shè)計 在 我們選擇的功率元件為雙極型晶體管 為雙極型晶體管的驅(qū)動電流的波形不是一個完美的脈沖，起步時的驅(qū)動電流是比較大的， 圖 基極驅(qū)動電流的波形 22 然后慢慢衰減。 如圖 但是，驅(qū)動變壓器的輸出是一個方波信號。選擇一個合適的驅(qū)動電路，以便驅(qū)動變壓器的輸出信號盡可能適應(yīng)晶體管的基極驅(qū)動電流波形。這對于一個開關(guān)管快速的開啟和安全使用是非常重要的。 本設(shè)計的基極驅(qū)動電 路如圖 示 : 圖 極驅(qū)動電路 系統(tǒng)中的開關(guān)管加速開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，提供了較為理想的驅(qū)動電流波形。電路 容 成了開關(guān)管的加速開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。變壓器一開始輸出驅(qū)動脈沖信號，不但給加速開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中電容 電，而且還通過二極管流向開關(guān)管的基極。因此流過晶體管基極的驅(qū)動電流 較陡，幅值大；隨著充電的進行，電容上的電壓逐漸建立，當(dāng)電容充滿電后，驅(qū)動信號只能通過二極管回路，顯而易見此時的基極驅(qū)動電流幅值比電容未充滿電之前要低，構(gòu)成基極驅(qū)動電流的后半部分較平緩。電阻 為了使開關(guān)管處于微導(dǎo)通狀態(tài)。如果兩個開關(guān)管 處于關(guān)斷狀態(tài)，只 有集電極漏電流的存在，而開關(guān)管 而導(dǎo)致 A 點電壓不是位于中點電壓，有一個較大的誤差；例如 300V 的輸入，理想情況下每個開關(guān)管各應(yīng)承受 150V 的電壓； 如果沒有設(shè)定均壓電路不會使開關(guān)管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，有可能會讓開關(guān)管承受較大的電壓，如 200V，下一個管子只承受 100V，而半橋電路中輸出變壓器原邊電壓可能高于這個值，這無疑減 23 少了轉(zhuǎn)換器電路的輸出效率，因為在這種情況下電路沒有輸出。 如果有了分壓網(wǎng)絡(luò)，能給開關(guān)管 基極提供電流 使得 集電極上就有 得由于漏電流的不一致性導(dǎo)致對中點電位的影響微乎其微。例如： 壓網(wǎng)絡(luò)使得 假 設(shè) 晶 體 管 的 電 流 放 大 倍 數(shù) 100 ，則有 而消除了由于開關(guān)管的特性不一致而造成的影響，動變壓器 2T 產(chǎn)生脈沖信號 ,腳和 11腳輸出分別驅(qū)動晶體管 過三極管放大之后 ,再驅(qū)動變壓器 2T 。這樣也實現(xiàn)強電和弱電信號的隔離。圖中 射極自舉電路， 旁路電容。 助電源電路的設(shè)計 電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓器集成的電路有正電壓輸出的 列和負(fù)電壓輸出的 列。顧名思義，三端 指這種穩(wěn)壓器用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端子、接地端子和輸出端子。它看起來像普通的三極管 20 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也 有 子的 三端穩(wěn)壓 IC 列穩(wěn)壓電源需要極少的外部元件，并 有一定的電壓、電流輸出，能夠得到不同的電壓和電流，內(nèi)部還有過熱、過流及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 示輸出電壓為正 6V， 示輸出電壓為負(fù) 9V。 圖 而 A，輸出電壓有 5V，具有過熱保護和短路保 24 護的特點，根據(jù)這些特點設(shè)計出了 本設(shè)計的輔助電源電路如圖 輔助電源由三端穩(wěn)壓集成電路 流元件、工頻變壓器、濾波元件組成，為單片機提供（ +5V）電源電壓。采用這種為單片機單獨供電方式，可以增強抗干擾能力，提高可靠性。同時為單片機提供 50 示電路的設(shè)計 顯示電路采用的是由 流表。 下面闡述 引腳功能和外圍元件參數(shù)的選擇。 圍元件參數(shù)的選擇。 圖 與外圍器件的連接圖如 它和數(shù)碼管相連的腳以及電源腳是固定的，所以不加詳述。芯片的第32腳為模擬公共端，稱為 34腳 35腳 31 腳 30 腳 別是積分電容、積分電阻， 們分別與芯片的 27、 28和 29 腳相連，電阻 芯片內(nèi)部電路結(jié)合可以提供時鐘脈沖振蕩源，通過 40 腳可以用示波器測量出該振蕩源的振蕩波形， 該腳對應(yīng)接在實驗儀上示波器接口 鐘頻率的大小決定了芯片的轉(zhuǎn)換時間及測量的精度。下面我們來分析一下這些參數(shù)的具體作用： 過滿量程輸入電壓以及用來對積分電容充電的內(nèi)部緩 25 沖放大器的輸出電流來定義，對于 流的常規(guī)值為 量程 /4以滿量程為 200參考電壓 0K,實際選擇 47滿量程為 2V，即參考電壓 V 時， 00K,實際選擇4701*般為了減小測量時工頻 50間常選為 下面再具體分析，由于積分電壓的最大值 V，所以： 際應(yīng)用中選取 于 38腳輸入的振蕩頻率 (1*因為模數(shù)轉(zhuǎn)換的計數(shù)脈沖頻率為 倍，即 (4*所以測量周期T=4000*000/分時間（采樣時間） 000*50/以 圖 大小直接影響轉(zhuǎn)換時間的快慢。通常情況下，在測量過程中，為了增強抗 50該選取 A/D 轉(zhuǎn)換的積分時間為 50頻周期的整數(shù)倍，即T1=n*20慮到線性度和測試效果，我們?nèi)?n=5)，這樣 T=0A/D 轉(zhuǎn)換速度為 /秒。由 50/取 00 26 上述電路實際上還只是一個表頭而已，為了實現(xiàn)測量電流和電壓以及可以選擇量程的功能，需要再添加一個按鍵電路。 1 2 3 4 5 6i t l eN um b e r R e vi s i i z a t e : 30 - M a 0 13 S h e e t F i l e : C : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 99 S E E X A M P L E S 物料分揀 bD r a w n B y:90 m 0. 9110 20 m KV i n+47 0678678鍵電路 按鍵電路可通過按鍵來選擇測量電流或者電壓。當(dāng)選擇電流時，通過分流電阻可選擇 200擇電壓時，可通過分壓電阻的作用選擇 2000 章小結(jié) 本章在上一章的基礎(chǔ)上，就系統(tǒng)框圖展開設(shè)計，在設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路圖之前，首先給出了充電曲線，分析每個階段的充電特點。然后就是分模塊設(shè)計硬件電路。硬件電路的重心主要在于單片機的選取以及控制回路的設(shè)計，設(shè)計經(jīng)過分析，選擇了 為核心器件，成功實現(xiàn)了充電反饋回路。接下來將進行軟件部分 的設(shè)計。 27 4 軟件部分的設(shè)計 件的功能 基于單片機 實現(xiàn)充電器的三段式充電。 通過溫度和時間的檢測判斷充電的階段并通過數(shù)碼管顯示。 統(tǒng)指令設(shè)計 令系統(tǒng)基本說明 2位，指令包括操作碼和操作數(shù)。 有 33條指令，按操作分成三大類： 面向字節(jié)操作類 這類指令共有 18 條，包括有算術(shù)和邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)移位和交換等操作。它們的操作都是在寄存 器 之間進行，其指令碼結(jié)構(gòu)為： O P C O D E d F ( F i l e # )( 1 1 - 6 ) ( 5 ) ( 4 - 0 )高 6 位是指令操作碼。第 6 位 d 是方向位。 d=1，則操作結(jié)果存入 f（數(shù)據(jù)寄存器）， d=0，則操作結(jié)果存入 W。低 5位是數(shù)據(jù)寄存器地址，可選中 32個寄存器。 面向位操作類 這類指令共有 4 條，指令碼基本結(jié)構(gòu)為： O P C O D E b b b f ( 1 1 - 8 ) ( 7 - 5 ) ( 4 - 0 )高 4 位是操作碼。 位地址（可尋址 8 個位）， 寄存器地址。 常數(shù)操作和控制操作類 這類指令共有 11 條，其指令碼 結(jié)構(gòu)為： O P C O D E K(1 1 (7 28 高 4位是操作碼，低 8位是常數(shù) K。 令尋址方式 系結(jié)構(gòu)，尋址方式和指令很少而且簡單。根據(jù)源操作數(shù)尋址方式可分為立即尋址，直接尋址，寄存器間接尋址和位尋址 4種。 立即數(shù)尋址 這種尋址方式操作數(shù)是以立即數(shù)形式出現(xiàn)的，用長字指令的低 8位表示，操作數(shù)可直接從指令中獲得。 例： 6H ; 16H W 寄存器間接尋址 這種尋址方式是把操作數(shù)的地址放在寄存器中。 來作為間接地址寄存器只能是 際要訪問的寄存器的序號放在 位中，而通過間接寄存器 行間接尋址。這種尋址方式通過寄存器 實現(xiàn)。實際的寄存器地址放在 過 例： 5H ; W=5 ; W(=5) 5H ; W=55H ; W(=55H) 面這段程序把 555寄存器。間址尋址方式主要用于編寫查表、寫表程序，非常方便。 直接尋址 此尋址方式是直接在指令中給出要訪問的寄存器，寄 存器可以