1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 开关电源式智能充电模块设计方案 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 随着电子技术日新月异的发展，为满足对便携式电源的新要求，铅酸蓄电池因为维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长，在各类电 子设备以及仪器中应用广泛 ，并且 充电电源的研究已经向高频化、集成化、智能化和绿色化方向发展 ，所以 为了实现高功率密度，改善电源的动态性能，就必须提高电源系统的工作频率。 该论文介绍一种开关电源模式的用于铅酸蓄电池充电的设计方案。它以电流控制型脉宽调制器 UC3842 为核心，输出方波信
2、号驱动 MOSFEF 功率管 K1358，控制高频变压器的能量转换。通过电压比较元件双运放 LM358 设定 以 恒压，恒流，涓流，三 个 阶段 来实现 充电。 利用 UC3842 芯片内部触发器比较运算控制输出信号的占空比，从而改变其出电压。电路中开关器件存在 通态压降，断态漏电流，开关损耗等非理想因素，所以也有一定的损耗 ， 但总的效率仍能达到很高水平 ， 远远高于靠动态电阻控制的线性电源。 关键词： 铅酸蓄电池 ； 电流控制型脉宽调制器 UC3842；开关电源 - 2 - Abstract With the rapid development of electronic technolo
3、gy to meet the new requirements of portable power, lead-acid batteries for easy maintenance, low cost, supply reliability, long life, in all types of electronic equipment and instruments are widely used, and the charging power supplyresearch has the high-frequency, integrated, intelligent and green
4、direction, so in order to achieve high power density, improve the dynamic performance of power, we must improve the power system operating frequency. The paper presents a switching power supply model for lead-acid battery charging design.It is a current-controlled pulse width modulator UC3842 as the
5、 core, the output square wave signals to drive MOSFEF power tube K1358, control of high-frequency transformer of energy conversion.Components through the voltage comparator LM358 dual op amp set to constant voltage, constant current, trickle, three stages to achieve the charge.Using comparison opera
6、tors UC3842 control chip output signal triggers the duty cycle, thus changing the output voltage.Circuit switching device on-state voltage drop exists, off-state leakage current, switching losses and other non-ideal factors, there is also a certain loss, but the overall efficiency still reached a hi
7、gh level, far higher than the control by a linear dynamic resistancepower. Key Words: Lead-acid batteries; current control mode pulse width modulator UC3842; switching power supply - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 设计思路 .2 2.1 开关电源概述 .2 2.2 开关电源的基本工作原理 .3 2.3 开关电源所用的术语 .3 2.4 隔离式高频开关电源 .4 2.4.1 单端正激式开关电源 .5 2.4.2
8、 单端反激式开关电源 .6 2.4.3 推挽式开关电源 .7 2.5 开关电源的选择 .7 3 主要芯片选择 .8 3.1 电流控制型脉宽调制器 UC3842 .8 3.2 高频变压器的设计 .9 3.3 比较放大 LM358 双运放的运用 .11 3.4 功率变换电路元件选择 MOSFET K1358 .12 3.5 精密基准电压源 TL431 .12 4 电路设计 .14 4.1 低压侧电压反馈电路 .14 4.2 由 UC3842 组成的高压侧电路 .15 4.3 短路保护电路 .16 5 总原理图 .17 6 结论 .20 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .21 - 1 -
9、 1 引言 实际上我们日常用的铅酸畜电池一部分不是用坏的而是充电器选择不当充坏的。而电瓶损坏的原因有 失水 硫化 失衡 热失控（充鼓） ，皆因充电模式的的原因。而新型充电模块都是开关电源式采用恒流，恒压，浮充涓流三阶段智能充电模式，能较好的维护和延长电瓶的寿命。 从电子技术角度针对电池而言：第一个阶段叫充电限流阶段，第二个阶段叫高恒压阶段，第三个 阶段叫低恒压阶段比较贴切。第二阶段和第三阶段转换时，面板指示灯相应变换 ， 第一、二阶段是红灯，第三阶段变绿灯。第二阶段和第三阶段的相互转换是由充电电流决定的，大于某电流进入第一 ,第二阶段，小于某电流进入第三阶段。这个电流叫转换电流，也叫转折电流。
10、参考电流为 300毫安左右。此值高有利于电池寿命，不容易发热变形，但不利于电池快速充足电；此值低有利于充足电，但是由于较长时间高电压充电，容易使电池失水，使电池发热变形。特别个别电池出现问题时，充电电流降不到转折电流以下时，会连累好电池也被充坏。给出的参考值有一定范围， 正负50 毫安甚至 100 毫安都是允许的，但是不允许小于 200 毫安。 图 1 电池充电阶段 电压曲线 电流曲线 恒压电压 浮充 电压 浮充转换电流 恒流电流 恒流充电阶段 恒压充电阶段 俯冲充电阶段 - 2 - 2 设计思路 2.1 开关电源概述 随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发
11、利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时 1。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。 隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电 压。 早在 70 年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求 2。 随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控
12、制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益 简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压 MOS 大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从 20kHz 提高到 150 200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在 70 年代后期，功率在 100w 以上的开关电源
13、是有竞争力的。到 1980 年，功率在 50w 以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到 80 年代后期，电 子设备的消耗功率在 20w 以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入 90 年代后，其成本下降非常显著 当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降 3。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。 - 3 - 2.2 开关电源的基本工作原理 开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型，即为 PWM 技术。全称 为 脉冲宽度调制（ Pulse width Modulat
14、ion） ,是通过一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波 形（含形状和幅值）的。主要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。 PWM 基本原理是在输入电压，内部参数以及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压被控制信号稳定 4。 调宽式开关稳压电源的控制原理如图 2-1 所示，对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压 Uo 取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压 Uo 可由公式计算 Uo = Um * T1/T，其中占空比 T T1/T 其中： Um
15、矩形脉冲最大电压值， T矩形脉冲周期， T1矩形脉冲宽度 图 2-1 脉宽调制式开关电源控制原理图 当 Um 与 T 不变时，直流平均电压 Uo 将与脉冲宽度 T1 成正比。这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可达到稳定电压的目 的。 2.3 开关电源所用的术语 下面列出一些本文所使用的开关电源术语，并给出解释。 效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载，输入交流电压为标准值。 ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总合。一般情况下，- 4 - ESR 值越低的电容 ，性能越好 5。 输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤消后，依然保持其额
16、定输出电压的时间。 启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。 隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压 6。 线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。条件是负载和周围的温度保持恒定。 负载调整率：输出电压随负载 在指定范围内变化的百分率。条件是线电压和环境温度保持不变。 噪音和波纹：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。通常是以 MV 度量 7 隔离式开关电源：
17、一般指高频开关电源。它从输入的交流电源直接进行整流和滤波，不使用低频隔离变压器。 输出瞬态响应时间：从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。 过载或过流保护：防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路。 快速短路保护电路；一种用于电源输出端的保护电路。当出现过压现象时，保护电路启动， 将电源输出端电压快速短路。 占空比；在高频开关电源中，开关元件的导通时间和变换器的工作周期之比。 2.4 隔离式高频开关电源 隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等 8。在设计电源时，设计者采取
18、那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电- 5 - 源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整流滤波而来。开关电源的基本功能 方框如图 2-2 所示。图 2-2 隔离式开关电源功能方框图 在图 2-2 中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的首先要经过整流、滤波电路变成含有定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是有一个高频功率开关元件，比如开关晶体管、场效应管 (MOSFET)等元件，高频变换部分产生高频
19、(20kHz 以上 )高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。为了调节 输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器(PWM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关元件的开关时间比例 (占空比 )，达到调整输出电压的目的。 当然控制电路还有调频方式的，本文不予讨论。 在方波的上升沿和下降沿有很多高次谐波，如果这些高次谐波反馈到输入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。因此，在交流输入端，必
20、须要设置无线频率干扰 (RFI)滤波器，把高频干扰减少到可接收 的范围。 此外，为了使整个电路安全可靠地工作，还要设计辅助电路，主要包括过压、过流保护电路等。 2.4.1 单端正激式开关电源 单端正激式开关电源的典型电路如图 2-3 所示。当开关 VT1 导通时， VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感 L 储存能量，当开关管 VT1 截止辅助电路 高频变换开关元件 整流滤波 PFI 滤波器 高频隔离变压器 PWM 逻辑控制 输出整流滤波 AC 输出 DC 输入 - 6 - 时，电感 L 通过续流二极管 VD3 继续向负载释放能量。 图 2-3 单端正激式开关电源典型电路 2.4.2
21、单端反激式开关电源 单端反激式开关电源典型电路如图 2-4 所示 ，这种电路在形式上与端正激式电路相似，但工作情形不同。 图 2-4 单端 反激式开关电源 电路中所说的单端是指高频变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧，所谓的反激，是当开关管 VT1 导通时，高频变压器 T 初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管 VD1 处于截止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管 VT1 截止时，变压器 T 副边上的电压顛倒，使初级绕组中存储的能量通过 VD1 整流和电容 C 滤波后向负载输出。 单端反激式开关电源电路简单，所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能DCR?R E S 2N P NU1T2D?D I O D ED?CR?R E S 2LU0U1VT1 VD1 VT1 VD2 VD3 VD1
