蓄电池充电器的设计与实现_毕业论文(设计)(编辑修改稿)

蓄电池充电器的设计与实现_毕业论文(设计)(编辑修改稿)内容摘要：

通时，电感电流变化率大 [4]。 这样开关管的电压应力比较大，因此在很多情况下，必需要在开关管的两端加上吸收电路。 反激变换器的主要优点是结构最为简单，元器件少，成本较低，可靠性较高，驱动电路简单，缺点主要是变压器是单向励磁的，工作在 CCM 模式下磁芯利用率比较低，但在 DCM 模式 下工作就有所改善；另外反激变换器的开关器件承受的电流峰值比较大，不适用于大功率的开关电源。 因此单端反激变换器多应用于 150W 以下的小功率开关电源中，诸如各种工业设备、计算机设备、消费电子等设备中的开关电源。 开关电源的功率电路 功率级电路由主要由保护电路， EMI 电路，输入整流滤波电路，反激变换电路以及输出整流滤波电路组成。 EMI 电路和输入整流滤波电路如图 所示。 图中 220 市电经过保险管和负温度系数热敏电阻到达 EMI 电路，保险管的作用是：当 9 电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，并且升 高的电流有可能损坏电路中的某些重要元器件。 保险丝会在电流异常升高到一定的阈值时熔断而防止电路过大而损坏电路。 负温度系数热敏电阻 RT1的特性是：温度越高，电阻越小。 所以开机时可以吸收浪涌电流，防止瞬间电流过大对前边的整流二极管和保险丝带来的冲击，提高了电源设计的安全系数。 而上电稳定后只会消耗很小的电能。 12P1~220VF1Fuse 1tRT1NTC8D10C1680K/1WR1T1EE25222/2KVC2222/2KVC3C4D1Bridge1GND330uF/200wVC5 图 EMI和输入整流滤波电路 EMI 电路通常由一个线圈 T1 和两个电容 C2， C3 组成。 它的作用是滤除由电网进来的各种干扰信号，防止电源开关电路形成的高频扰窜电网。 整流桥采用全桥整流，利用二极管的单 向导电性把方向和大小都变化的 50Hz 交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。 滤波电路用于滤除整流输出电压中的纹波，并联的电容器 C5 在电源的供给电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使输出电压变得平缓 [5]。 220 交流电压经过整流滤波变成 Ud=300V 左右的直流电压。 反激变换电路及输出整流滤波电路如图 所示。 主要由反激式 10 高频变压器 T2， RCD 吸收电路，启动电路， MOSFET，快恢复二极管等组成。 反激式变压器 T2 不仅作为变压器使用，同时又作为储能电感，它的 设计方法与其他类型的变压器不同。 在磁芯大小，原边电感、气隙大小，原边线圈匝数的选择，以及在磁芯内直流成分和交流成分之间的相互影响等问题都要在设计中细致考虑 [6]。 T2Trans BBD4MUR3020R23000pFC6D2FR157Q1IRFP46015R5R8GND102/1KVC13100uF/50VC12GND310V 直流电压PWMD3FR157100KR347uF/50VC7GNDUC3843VCC680pFC18R17 D5FR157GNDOUT 图 反激变换电路及输出整流滤波电路 RCD 吸收电路由 D2， R2， C6 组成，其作用是在 MOSFET 关断瞬间用来吸收变压器的续流尖峰。 启动电路由启动电阻 R3， D3， C7 和变压器的一路辅助线圈组成，一般电路在电路上电工作之前都有一个启动延时或叫软启动过程。 这样在加入直流电压 U d 之后一段时间里，反激式电路的开关管保持为断态，设置这段延时的目 的是为了使集成控制芯片 UC3843 内部供电 11 电压达到稳定的规定值之后，控制芯片才开始投入工作。 芯片 UC3843 的正常供电电源是通过变压器的一路辅助电源给 UC3843 工作的，但是如果芯片不先工作的话，也就没有辅助电源了；所以需要一个先给芯片启动的工作电源，这样才能正常工作。 这里通过电阻 R3 从直流母线上将压给芯片提供启动电流；根据 UC3843 的技术资料，芯片的正常工作电流在 10mA 左右，启动电流在 ～。 维持芯片工作能量将被储存在并接芯片电源引脚的 47uF 的电解电容里。 输出整流滤波电路由 D4， C12 组成，反激式变换器中所使用的输出整流二极管在变换器开关周期中，主要是在功率开关管截止期间才导通工作的。 双管反激变换器输出整流二极管承受的电压应力与传统反激变换器相同，因此，整流二极管必须具有正向压降低、快速恢复的特点，还应具有足够的输出功率。 对于反激变换器，输出整流器的反向峰值电压的理论计算值为： inPSODR VNNVV  (41) 上式计算的 VDR 是在 理想情况下的理论计算值，然而二极管在实际运行中的况并非如此简单，二极管换流和恢复过程中会出现尖峰电压和振荡过电压，漏和引线电感在瞬变过程中产生的尖峰电压，瞬时短路的情况更为严重。 因此，选取整流二极管的反向电压 VDR 应远大于理论计算值，并要留有足够的裕度。 般选取整流管的反向电压 VDR 约为 34 倍的理论计算值，设计中选用的是 MUR3020，其反 向 击穿电压为 600V，电流为 15A。 12 C18,D5,R17 的作用是：吸收 Q1 闭合瞬间在其漏极产生的尖峰脉冲。 开关电源的控制电路 控制电路部分采用高性能 电流模式控制器 UC3843 作为控制芯片。 UC3843 是高性能固定频率电流模式控制器，专为 OFFLINE 和DCDC 变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。 内部的集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考，高增益误差放大器。 电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率 MOSFET 的理想器件。 它的保护特性包括输入与参考欠压锁定滞后，逐周期电流限制，可编程输出死区时间，和一个锁存器，用于单脉冲计量。 UC3843 内部简化方框图如图 所示。 图 UC3843内部简化方框 13 UC3843 的工作原理是：给定电压与反馈电压经误差放大后，作为门限电压 U与反馈电流经采样后的电压 VS 一起输入到电流感应比较器，当超过门限电压后，该比较器就输出为高电平，进入到 RS 触发器的复位端 R，使得输出 Q 为高电平，经或非门后输出为低电平来关断开关管，并且一直保持这种状态，直至振荡器输出脉冲到达触发器的置位端 S 和或非门为止，在振荡器输出为高电平的时侯，或非门始终输出为低电平，开关管也就一直的关断，这段时间由振荡器输出脉冲的宽度来决定，当振荡器输出脉冲下降的同时， RS 触发器的输出 Q 变为低电平，经或非门输出就变为高电平，输出控制脉冲就如此周期性地工作，其中 PWM 信号的上升沿由振荡器来决定，下降沿由开关管电流和输出电压共同决定，反转触发器 T 限制 PWM 的占空比调节范围在 0～ 50%之内 [7]。 电压反馈取样电路设计 反激式电源变换器的输入和输出一般都是隔离的，所以电压反馈信号和控制芯片是不共地的，需要隔离采样。 对于一个隔离型单路输出的开关变换器，一般存在三类电位参考点。 第一类参考点是主电路中变压器一次绕组所在电路部分的公共参考地；第二类参考点是主电路中变压器 二次绕组所在电路的公共参考地；第三类参考点是控制电路的公共参考地。 由于主电路功能是传输和处理能量，所以这部分电路中会有高电压和大电流功率信号；而控制电路的功能是处理微弱信 号，所以控制芯片的耐压一般不超过 30V[8]。 这样，最好是控制电路与主电路不存在直接的电气连接，即不能共地，这样可以避免主电路 14 中的大电流信号对控制电路的影响。 但控制电路要对主电路提供控制信号，因此需要电气隔离，一般用磁隔离和光电隔离等。 同时控制电路又要完成对主电路输出信号的采样，处理以及调节其输出能量等功能，所以在闭环调节系统中，控制电路 的输入与主电路输出端也需要进行隔离处理，一般都是采用光电隔离。 光电隔离一般采用线性光电耦合器件，本设计选用的是 PC817。 控制电路输出与主电路的隔离是驱动隔离，控制电路与主电路输出的隔离是反馈隔离 [9]。 GNDAnode1Cathode2Emitter3Collector4U2PC8171KR104K7R111KR12500R13R1410KR15100KR16IC1TL4312KRp1GNDC15C141uFC16103/1KVC17VCC24VVFB 图 电压采样反馈电路 电压采样反馈电路如图 所示，它主要由光耦 PC817 和稳压器件 TL431 等元器件组成。 TL431 作为基准和反馈误差放大器，采样输出，并产生相应的误差电压。 该误差电压通过光耦 PC817 转变成 15 误差电流，耦合到初级中，再转换成电压作为控制芯片 UC3843 的VFB 端口的 输入。 这里是把光耦的 C 极直接连到 VCC， 2 脚通过一个 1K 的电阻接地，再通过一个 电阻将电压采样到 UC3843 的VFB 脚。 在图 电压反馈取样电路中，由光耦 PC817 和精密稳压管TL431 相配合，作为参考、隔离、取样和放大，组成负反馈环路。 下面对电路中的参数进行设计计算 [10]。 (1)反馈取样电路中的采样电阻 R1 R15 的取值。 R15 的值不是任意取的，要考虑两个因素 : (a)TL431 参考输入端的电流。 一般此电流为 2μA 左右，为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻 R15 的电流为参考段电流的 100 倍以上，所以：  KAVR 0  (42) (b)待机功耗的要求。 为了减小待机功耗，在满足小于 欧姆 的情况下尽量取大值。 在这里取 R15 =10K 欧姆 ，外加 Rp1 调节输出电压。 由 TL431 的 datasheet 资料可知，其内部有一个的基准电压Vref=，根据 TL431 的稳压性能， R1 R15 、 Rp Vout、 Vref 有固定的关系： refpout VRR RV )1( 115 16 (43) 输出电压为 24V， 由 式 43 可得： 16 KRRV VVR pr e f r e fout 10 )( 11516  (44) (2)限流电阻 R12 的取值， R12 的取值要保证高压控制端取得所需要的电流。 UC3843 的误差放大器输出电压摆幅为 Vo 6V,三 极管集射电流 Ic 受发光二极管正向电流 IF 控制 ,通过 PC817 的 Vce与 IF 关系曲线 (如图 所示 )可以确定 PC817 发光二极管正向电流。