汪俊，王毅

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210031）

0 引言

生活中的電源產(chǎn)品總體來分包括交流和直流電源，就具體產(chǎn)品而言，產(chǎn)品種類非常繁多，常見的有開關(guān)電源適配器[1]、各種干電池、鋰電池和蓄電池等，鋰電池?zé)o疑是發(fā)展比較快速的一類，隨著鋰電池在整個(gè)電池行業(yè)份額的不斷增加，現(xiàn)在的大部分消費(fèi)類電子產(chǎn)品，家用生活產(chǎn)品大部分都是采用鋰電池作為供電電源。

當(dāng)然隨著鋰電池應(yīng)用越來越廣泛，也帶動了鋰電池充電行業(yè)的加速發(fā)展，市場上的鋰電池充電設(shè)備五花八門，比如有簡單的恒壓充電。但符合鋰電池充電特性的并不多，鋰電池充電時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行恒流充電，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定電壓時(shí)要轉(zhuǎn)換為恒壓充電，同時(shí)應(yīng)保證電池不可過充，達(dá)到上述條件，才可一定程度上增強(qiáng)鋰電池的使用壽命。雖然市場上有相關(guān)鋰電池充電的管理芯片，也具備恒流和恒壓充電的特點(diǎn)，但電源轉(zhuǎn)化效率不高。

利用恒流或恒壓模式對鋰電池進(jìn)行充電，鋰電池作為電源，對其進(jìn)行恒壓和恒流充電的電路裝置也是電源，對于這類電源往往是以家用工頻電源作為輸入，通過不同電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成鋰電池充電所需電壓或電流值，電路結(jié)構(gòu)可以采用線性電源，也可以采用其他方式，線性電源電路結(jié)構(gòu)簡單，市面上也有一些專門的線性電源專用芯片，很簡單即可實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，實(shí)現(xiàn)恒壓充電，但電源部分轉(zhuǎn)化效率低，能源利用率差，開關(guān)電源相對線性電源轉(zhuǎn)化效率提高很多，有些可達(dá)到90%以上，極大的提高了能源利用率。

1 理論分析

電路設(shè)計(jì)的鋰電池充電電源主要針對通用3S和4S鋰電池，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓分別是11.1 V和14.8 V。以3S鋰電池為例，標(biāo)準(zhǔn)電壓為11.1V，滿電電壓是12.6V，對其充電的方式是，首先檢測電池電壓值，如果電池電壓低于9V，首先進(jìn)行恒流預(yù)沖，電流大小通常為設(shè)定電流的十分之一，以現(xiàn)在市場上現(xiàn)在5000到6000mAH的鋰電池為例，大部分充電電流在2A左右，在預(yù)充電時(shí)，應(yīng)以恒流200mA進(jìn)行充電，隨著充電的繼續(xù)，電壓上升到9V以后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)2A電流充電，一直等到電壓上升到12.6V 后進(jìn)行恒壓充電，維持輸出電壓不變，直到輸出電流下降到200mA結(jié)束充電。

若以4S鋰電池為例，充電過程如下：標(biāo)準(zhǔn)電壓為14.8V，滿電電壓是16.8V，充電標(biāo)準(zhǔn)電流2A。從設(shè)計(jì)要求可見，為保證3S和4S鋰電池均可正常充電，充電電路輸出功率為33.6W，考慮實(shí)際情況并保有冗余，輸出電壓最大值設(shè)置18V，輸出電流最大值為2.5A，即充電電路輸出功率設(shè)計(jì)值為45W。

2 主要電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，高效率的實(shí)現(xiàn)鋰電池恒流和恒壓充電，并可進(jìn)行智能切換，同時(shí)具有過充保護(hù)，充電電壓電流可調(diào)。電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 鋰電池充電電路結(jié)構(gòu)示意圖

本裝置由降壓電路、繼電器及其驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、采樣電路、控制電路和顯示電路等構(gòu)成，其中可壓控的降壓電路是其中的核心部分，降壓電路中利用脈寬調(diào)制芯片TL494[2-3]產(chǎn)生PWM控制降壓電路通過控制控制端或采樣部分電阻值均可調(diào)節(jié)輸出電壓值。恒壓充電通過給單片機(jī)給控制端一個(gè)穩(wěn)定的電壓實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定進(jìn)行恒壓充電。恒流充電需通過采樣確定電流值，然后和設(shè)置值進(jìn)行對比，通過處理器調(diào)整TL494控制端電壓值改變PWM維持恒流充電，繼電器部分可在充電完成后對電路進(jìn)行斷電，滿足過充保護(hù)。由于電池充電部分采用開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)，很大程度上提高了轉(zhuǎn)換效率。

（1）降壓電路及參數(shù)計(jì)算

降壓電路實(shí)現(xiàn)的功能是使220V工頻交流轉(zhuǎn)化成鋰電池充電所需直流電。該電路首先需實(shí)現(xiàn)AC-DC的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的DC再進(jìn)行DC-DC[4]的轉(zhuǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)鋰電池的充電電路輸出在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。其中AC—DC的輸入值為220V工頻交流電，輸出需根據(jù)具體電路要求計(jì)算得出。

AC-DC的輸出即為DC-DC的輸入，由于DC-DC的輸出通過分析最大值為18V，為滿足3S鋰電池充電，最小值設(shè)計(jì)為8V，即輸出電壓在8V-18V范圍內(nèi)。DC-DC電路中核心即為TL494脈寬調(diào)制芯片，該芯片的控制信號由外部輸入，一路送往死區(qū)時(shí)間對應(yīng)的比較器，還有一路送往誤差放大器輸入端，當(dāng)死區(qū)時(shí)間控制輸入端接地時(shí)，脈寬調(diào)制范圍可達(dá)到96%。

AC-DC電路由AC-DC降壓穩(wěn)壓電源模塊成品模塊實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)220V交流轉(zhuǎn)變成24V直流，DC-DC電路部分由TL494作為核心部分，具體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

如圖2所示，為鋰電池DC-DC充電降壓核心電路，該電路為整個(gè)充電電路的核心部分，電路采用基本BUCK電路實(shí)現(xiàn)，通過PWM控制buck電路中的開關(guān)管改變脈沖寬度實(shí)現(xiàn)降壓，其中PWM由TL494脈寬調(diào)制芯片獲得，通過控制TL494的控制端，可調(diào)節(jié)輸出PWM的脈沖寬度，進(jìn)而改變輸出電壓或電流。

電路輸入為24V直流，輸出在8V-18V之間，根據(jù)計(jì)算輸入和輸出對應(yīng)的脈寬如下：

8V直流輸出時(shí)：

圖2 鋰電池DC—DC充電降壓核心電路

18V直流輸出時(shí)：

設(shè)計(jì)中TL494死區(qū)輸入加電平占空比理論只能達(dá)到接近一半，設(shè)計(jì)中采用死去控制端接地，理論達(dá)到96%，滿足設(shè)計(jì)要求。

TL494內(nèi)部有兩個(gè)誤差放大器，分別常用于電壓和電流采用，設(shè)計(jì)中采用引腳1和 2構(gòu)成的誤差放大器，輸出采樣電壓通過放大器的同相輸入端引入，通常反向輸入端和誤差放大器的輸出通過內(nèi)部5V參考電壓構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)相連接，根據(jù)實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，若采樣電阻為R1和R2，其中R2接地，電壓采樣端在R1和R2之間，輸出電壓由下式?jīng)Q定：

輸出電壓值有采樣電路阻值和參考電壓直接決定，最后穩(wěn)定時(shí)，參考電壓和采樣值相等，達(dá)到動態(tài)平衡。設(shè)計(jì)中為使單片機(jī)能夠直接控制TL494，進(jìn)而控制PWM，把TL494接內(nèi)部參考電壓的端口改接數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出，最終由單片機(jī)對其進(jìn)行控制。圖2中，反饋采樣電阻分別為4.7k和1k，其中1k可調(diào)接地，為后續(xù)微調(diào)提供便利。根據(jù)公式(3)，單片機(jī)控制電壓范圍為：

故單片機(jī)控制電壓的范圍為：1.4V≤Vcontrol≤ 3.2V，符合實(shí)際要求。

根據(jù)TL494特性，圖2中R11和C2決定了脈沖頻率，根據(jù)計(jì)算公式及圖中參數(shù)值，其脈沖頻率為：

在輸出為8V和18V時(shí)，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感上的電壓分別是16V和6V，鋰電池充電初期當(dāng)電壓很小時(shí)，電流為200mA恒流充電，設(shè)計(jì)電路中要求輸出紋波電流為最大20mA。根據(jù)上述數(shù)據(jù)結(jié)合占空比要求電感理論計(jì)算值分別為：

輸出為8V時(shí)：

輸出為18V時(shí)：

為保證符合設(shè)計(jì)要求并保有冗余，電路中電感值選取2mH, 4A線徑。

開關(guān)管選擇型號為IRF9540的功率MOS管，續(xù)流二極管采用1N5822，平均電流為3A，符合設(shè)計(jì)要求。

（2）其他電路

圖1 中鋰電池充電電路的結(jié)構(gòu)示意圖中，它包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電流和電壓采樣電路、按鍵控制和LED指示電路、繼電器及驅(qū)動電路，放大及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路和顯示電路等。

繼電器及其驅(qū)動電路采用小功率三極管作為驅(qū)動管S9013構(gòu)成開關(guān)電路驅(qū)動5V繼電器，繼電器采用單刀雙擲的繼電器，通過處理器控制，可實(shí)現(xiàn)外部電源和降壓電路之間的連接控制，從而在電池充滿后實(shí)現(xiàn)斷電，對鋰電池實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)。

為節(jié)約成本，設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用STC89S52實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部不含有數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，為電流采樣放大電路，該電路由差分比例放大電路實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，電路可實(shí)現(xiàn)雙端輸入單端輸出，特別適合對本電路中采樣電阻兩端差動電壓進(jìn)行放大。電路放大部分由OP07結(jié)合外圍電阻電路實(shí)現(xiàn)，放大倍數(shù)設(shè)置為20倍，放大倍數(shù)的設(shè)置主要為保證采樣點(diǎn)壓輸出電路適合作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采集。

圖3 電流采樣放大電路

圖2中電流采樣電阻為0.1Ω,正常工作時(shí)，電流值恒流充電電流為0.2A和2A，電阻上產(chǎn)生的壓降為0.02V和0.2V，由于電壓小，所以此處選擇低噪聲運(yùn)放OP07，輸出電壓放大20倍后變成0.4V和4V，電壓范圍在可采樣范圍內(nèi)。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

放大后的采樣電阻上的采樣電壓通過TLC1543進(jìn)行采樣，它是10位AD轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度相對較高，其參考電壓通過基準(zhǔn)源TL431提供，如圖4所示，通過數(shù)據(jù)處理確定電路中提供給負(fù)載的電流值大小，若不滿足要求，通過單片機(jī)控制，提供數(shù)字量設(shè)置轉(zhuǎn)換芯片的輸出模擬電壓值，通過該模擬電壓控制TL494控制端，進(jìn)而改變其PWM，形成閉環(huán)，進(jìn)而達(dá)到恒流的目的，實(shí)現(xiàn)電流的自動調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。

電壓采樣通過輸出分壓電路實(shí)現(xiàn)，采用TLC1543實(shí)現(xiàn)。按鍵控制和LED指示電路由兩個(gè)按鍵和兩個(gè)LED構(gòu)成，通過按鍵可設(shè)置恒流充電時(shí)電流值得大小，設(shè)置了兩個(gè)按鍵，一個(gè)增加一個(gè)減小，步進(jìn)為0.1mA，LED指示燈設(shè)置了兩個(gè)，一個(gè)為恒流充電指示燈一個(gè)是恒壓充電指示燈。顯示電路通過OLED實(shí)現(xiàn)，主要用于顯示電流值，電壓值，以及恒流還是恒壓充電模式。

3 測試結(jié)果

根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，分別對電路恒流、恒壓、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率等進(jìn)行了測試，具體測試結(jié)果如下：

測試方法：可調(diào)電阻測試法

表1 不同恒流測試數(shù)據(jù)表

表1中利用大功率圓盤電位器，為保證輸出電壓在8V-18 V之間，在測試兩個(gè)不同恒流模式時(shí)，采用了不同電阻值，測試結(jié)果基本符合恒流要求。

表2 不同電阻恒流測試數(shù)據(jù)表

表2中在設(shè)定電流2 A下，分別利用不同阻值的負(fù)載電阻進(jìn)行測試，輸出電壓能滿足8 V-18 V，通過該數(shù)據(jù)也可反應(yīng)恒壓的實(shí)現(xiàn)，表2中由最后一列數(shù)據(jù)可見，輸出功率為49.5W，符合設(shè)計(jì)要求，通過后三列數(shù)據(jù)計(jì)算可見電路轉(zhuǎn)換效率為71%左右，對于該電路結(jié)構(gòu)，基本實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)論

電路實(shí)現(xiàn)了鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)作為控制核心，利用單片機(jī)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓值替代一般電路中利用TL494內(nèi)部參考電壓的方式控制TL494提供PWM波，并形成閉環(huán)，通過對電路中電流和電壓的采樣實(shí)現(xiàn)電流和電壓的監(jiān)測和控制，最終實(shí)現(xiàn)了充電電路的各項(xiàng)要求和指標(biāo)。