為了使手機(jī),、電動(dòng)自行車等所使用的充電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電的功能,大都采用各種各樣的專用IC充電器集成電路和各種采樣電路。本文介紹一種既能省去復(fù)雜的IC電路及其外圍電路,,又能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)充電功能的電路。
1,、工作原理
圖1中C1,、V1~V4、C2組成濾波整流電路,,變壓器T為高頻變壓器,,V5、R2,、C11組成功率開關(guān)管V7的保護(hù)電路,,NF為供給IC電源的繞組。單端輸出IC為UC3842,,其8腳輸出5V基準(zhǔn)電壓,,2腳為反相輸入,1腳為放大器輸出,,4腳為振蕩電容C9,、電阻R7輸入端,5腳為接地端,,3腳為過流保護(hù)端,,6腳為調(diào)寬單脈沖輸出端,7腳為電源輸入端,。R6,、C7組成負(fù)反饋,IC啟動(dòng)瞬間由R1供給啟動(dòng)電壓,,電路啟動(dòng)后由NF產(chǎn)生電勢(shì)經(jīng)V6,、C4,、C5整流濾波后供給IC工作電壓。R12為過流保護(hù)取樣電阻,,V8,、C3組成反激整流濾波輸出電路。R13為內(nèi)負(fù)載,,V9~V12及R14~R19組成發(fā)光管顯示電路,。圖1中V5、V6選用FR107,,V8選用FR154,,V7選用K792。
圖1 電 路 原 理 圖 |
現(xiàn)對(duì)變換環(huán)節(jié)作如下介紹:
從圖1中可知,,當(dāng)V7導(dǎo)通時(shí),,整流電壓加在變壓器T初級(jí)繞組Np上的電能變成磁能儲(chǔ)存在變壓器中,在V7導(dǎo)通結(jié)束時(shí),,Np繞組中電流達(dá)到最大值Ipmax:
Ipmax=(E/Lp)ton (1)
式中:E——整流電壓,;
Lp——變壓器初級(jí)繞組電感;
ton——V7導(dǎo)通時(shí)間,。
在V7關(guān)閉瞬間,,變壓器次級(jí)繞組放電電流為最大值Ismax,若忽略各種損耗應(yīng)為:Ismax=nIpmax=n(E/Lp)ton (2)
式中:n——變壓器變比,,n=Np/Ns,,Np、Ns為變壓器初,、次級(jí)繞組匝數(shù),。
高頻變壓器在V7導(dǎo)通期間初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量與V7關(guān)閉期間次級(jí)繞組釋放能量應(yīng)相等:n(E/Lp)ton=(Uo/Ls)toff
式中:Ls——變壓器次級(jí)繞組電感;
Uo——輸出電壓,;
toff——V7關(guān)閉時(shí)間,。
因?yàn)長p=n2Ls,則:
(E/nLs)ton=(Uo/Ls)toff
Eton=nUotoff
Uo=(ton/ntoff)E (3)
上式說明輸出電壓Uo與ton成正比,,與匝比n及toff成反比,。
變壓器在導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的能量WLp為: WLp=(1/2)LpI2pmax (4)
變壓器Lp愈大儲(chǔ)能愈多。
變壓器儲(chǔ)存的能量能否在toff期間釋放完,,不僅與變壓器的工作頻率f有關(guān),,而且與次級(jí)繞組電感量Ls有關(guān),更與負(fù)載的大小有關(guān),。
儲(chǔ)能釋放時(shí)間常數(shù)τ和V7關(guān)閉時(shí)間toff之間的差異形成變換器三種工作狀態(tài),,下面分開介紹:
1)toff=τ這種狀態(tài)為臨界狀態(tài),各參數(shù)波形如圖2所示,。
圖2 toff=τ的 波 形 圖 |
圖2中ub為Vp的控制電壓波形,;up為變壓器初級(jí)Np電勢(shì)波形;φ為變壓器磁通變化波形,;uces為V7集電極電壓波形,;ip、is為初,、次級(jí)電流波形,。
2)toff>τ各參數(shù)波形如圖3所示。從圖3中可以看出磁通復(fù)位時(shí)V7關(guān)閉還持續(xù)一段時(shí)間,,ip呈線性上升,,is線性下降。
圖3 toff >τ的 波 形 圖 |
變壓器儲(chǔ)存的能量等于電路輸出能量,。
(1/2)LpI2pmaxf=Uo2/RL
Uo2=(1/2)LpI2pmaxRLf
將Ipmax=(E/Lp)ton代入上式,,則
式中:RL——電路負(fù)載電阻;
T=1/f——變壓器工作周期,。
式(5)中E,、ton、T,、Lp為定值,,所以輸出電壓Uo隨負(fù)載電阻RL的大小而變化,若忽略整流器件壓降,,則輸出電壓最大值應(yīng)為:
Uomax=(1/n)Up=(1/n)E (6)
V7承受的反壓應(yīng)為:
Ucc=E+Up=E+nUo (7)
3)toff<τ
各參數(shù)波形如圖4所示,。從圖4中可以看出磁通在toff期間不能復(fù)位,ip也不是從0開始線性增加,,is下降不到0,,這種工作狀態(tài)輸出電壓Uo應(yīng)滿足如下關(guān)系:
Eton=(Np/Ns)Uot
Uo=(ton/toff)(Ns/Np)E
圖4 toff <τ 的 波 形 圖 |
上式說明在Lp較大的情況下,Uo只決定于變壓器匝數(shù),、導(dǎo)通截止脈寬和電源電壓E,,而與負(fù)載電阻RL無關(guān)。
上述三種工作狀態(tài)中,,第二種工作狀態(tài)輸出電壓Uo隨負(fù)載電阻大小而變化,,我們正好利用這個(gè)特點(diǎn),滿足充電器的充電特性,。
從電路中可知,,電路的負(fù)載電阻RL實(shí)際上是被充電電池的等效內(nèi)阻,當(dāng)電池電量放空時(shí),,等效內(nèi)阻RL很小,,隨著充電量增大,其等效內(nèi)阻升高,,而電路輸出電壓Uo就是充電電壓,,其變化是隨RL增大而升高,,所以有如圖5所示的充電特性曲線。從圖5可以看出充電電流是隨著RL增大而下降,。io=uo/RL
充電電壓uo,、充電電流io都是隨RL而變化,RL的變化曲線是電池的充電特性決定的,,所以用單端反激電路作成的充電器其充電電壓,、電流有很好的跟隨性。
當(dāng)電池充滿后,,RL也就大到一定限度,,充電電壓也就進(jìn)入飽和狀態(tài),充電電流自動(dòng)進(jìn)入浮充狀態(tài),。
這樣便大大簡化了自動(dòng)充電的控制電路,。與相同性能的其它充電器電路相比,成本大大降低,,可靠性大大提高,。
2 、電路設(shè)計(jì)計(jì)算
為了簡便,,現(xiàn)只介紹單端反激變換電路中變壓器的設(shè)計(jì)及主要元器件的選用方法,。
2.1 高頻變壓器的設(shè)計(jì)
變壓器是變換器的主要部件,其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是磁芯選定,,繞組匝數(shù)和導(dǎo)線直徑的選定,。
1)變壓器主要參數(shù)計(jì)算公式
- 輸出功率Po=UoIo
- 輸入功率PI=Po/η
- 占空比D=ton/T
- 變壓器效率η=Po/PI
- 負(fù)載電阻RL=Uo/Io
- 變壓器輸入電流最大值Ipmax=2Uo2/DηEminRL
- 變壓器輸入電流有效值Ipeff=DIp
變壓器工作頻率f的確定:
f高雖然體積、重量可減小,,但V7開關(guān)損耗增大,,f低則變壓器體積變大重量加大,綜合考慮,,一般選f=50kHz左右,。
2)磁芯尺寸選取
因電路為單端反激電路,所以勵(lì)磁電流是單方向的,,變壓器磁芯中產(chǎn)生的磁通只沿著磁滯回線在第一象限上下移動(dòng),,如圖6所示。
[a] 勵(lì)磁電流 (b) 磁滯回線 |
圖6 勵(lì)磁電流及磁滯回線 |
按圖6中的磁路工作狀態(tài),,對(duì)磁芯尺寸計(jì)算公式推導(dǎo)如下:
據(jù)電磁感應(yīng)定律 e=-Np(dφ/dt) e=E-Uces
若忽略V7飽和壓降Uces,,則 Npdφ=Edt
NpΔφ=Eton
Δφ=ΔBSC
Np=(E×104ton×10-6/Δ BSC)=Eton/100ΔBSC (8)
E=100NpΔBSC/ton (9)
式中:104——磁通密度單位換算系數(shù);
10-6——導(dǎo)通時(shí)間單位換算系數(shù),;
SC——磁芯截面積,,單位cm2;
Δ B——一般取0.7Bs(飽和磁密),,單位T,;
ton——單位μs,。
所選磁芯窗口面積So應(yīng)能繞下初、次級(jí)繞組,,所以有如下公式關(guān)系:
為了便于公式推導(dǎo),,設(shè)Ip=Is=I,Np=Ns則:
式中:Ko——銅線占空系數(shù),,一般取 Ko=0.2~0.5;
KC——磁芯占空系數(shù),,鐵氧體取KC=1,;
j——導(dǎo)線中電流密度,一般取j=2~3A/mm2,;
10-2——導(dǎo)線截面積尺寸單位換算系數(shù),。
變壓器設(shè)計(jì)容量 PT=EI (11)
將式(9)、式(10)代入式(11)
PT=(100NpΔBSC/ton)(100KoKCSoj/2Np)
=ΔBSCSoKoKCj×104/2ton
SoSC=2PTton×10-4/ΔBKoKCj(cm4)
變壓器初,、次級(jí)功率關(guān)系為:
Ps=ηPT Po=Ps-PD
式中:Ps——變壓器次級(jí)輸出功率,;
PD——輸出端二極管等損耗功率。
若忽略PD,,則:
Po=ηPT
SoSC=2Poton/ηΔBjKoKC(cm4) (12)
據(jù)式(12)計(jì)算So,、SC,選取磁芯尺寸,、規(guī)格,。
3)繞組匝數(shù)的計(jì)算
Np=100Eton/ΔBSC (13)
為了滿足電路要求,式中E,、ton應(yīng)取最大值,,單端反激電路變壓器原邊繞組兼有電感作用。其電感所需量由下式計(jì)算:
Lp=Eton/Ip(μ H) (14)
式中:ton單位用μs
用下式核算Np繞組匝數(shù)能否滿足電感量要求:
L′p=(0.4πN2pSC×10-8)/(Lδ+LC/μC) (μH) (15)
式中:μC——磁芯材料有效導(dǎo)磁率,;
LC——磁芯磁路平均長度(cm),;
Lδ——磁芯中空氣隙長度(cm)。
若Lp≤L′p,,則加大Np,,以達(dá)到電感量要求。
變壓器匝比的選?。?br />
若不考慮次級(jí)整流壓降及變壓器內(nèi)損等因素的影響,,則
n=Ep/Eo、Ns=nNp/D
同理可計(jì)算
NF=(Ns/Uo)Up
4)導(dǎo)線直徑選取計(jì)算
若取j=2.5A/mm2則:d=0.7 (mm) (16)
據(jù)式(16)計(jì)算出各繞組導(dǎo)線直徑并選取規(guī)格值,,驗(yàn)算磁芯窗口面積能否繞下各繞組,,若繞不下,則重復(fù)上述有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算,。
5)驗(yàn)算次級(jí)繞組放電常數(shù),,τs應(yīng)小于toff
τs=Ls/RL=(L′p/n2)/RL=L′p/(n2RL)
toff=T/2,,T=1/f,所以toff=1/(2f)
toff>τs為驗(yàn)算原則,。若不能滿足則重復(fù)上面有關(guān)計(jì)算,。
2.2 各主要元器件的選用
1)功率開關(guān)管的選用
根據(jù)式(7),開關(guān)管耐壓應(yīng)≥E+nUo,,一般取(2.5~4)Emax,。
開關(guān)功率管的電流由下式計(jì)算確定:Ipmax=2U2o/ηDER1min
2)電容C2、C3的選定
C2電壓應(yīng)大于1.1××220V,;
C3電壓根據(jù)輸出電壓而定,。
C2、C3電容量的選用原則是:
C2Rp=(4~5)T50,;
C3RL=(4~5)T,。
式中:T50——頻率為50Hz時(shí)對(duì)應(yīng)的工作周期;
Rp,、C2——放電等效電阻,、電容;
T——變壓器工作頻率對(duì)應(yīng)的周期,。
由此可以推算電容量,。
3 、電路調(diào)試
1)變換器工作頻率調(diào)整
調(diào)IC4腳的R7和C9可達(dá)到調(diào)整工作頻率的目的,。
2)功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton的調(diào)整
調(diào)R3和R5可達(dá)到調(diào)整ton的目的,。
3)過流保護(hù)工作點(diǎn)的調(diào)整
調(diào)R12可達(dá)到調(diào)整過流保護(hù)工作點(diǎn)的目的。
4,、 結(jié)語
用單端反激變換電路制作全自動(dòng)充電器是筆者對(duì)單端反激變換電路探討實(shí)踐的總結(jié),。用此電路已經(jīng)設(shè)計(jì)制作了100W以內(nèi)的全自動(dòng)充電器30多臺(tái),使用效果良好,,并通過廠家技術(shù)鑒定,。應(yīng)用本文所介紹的技術(shù)可省去復(fù)雜的控制電路和IC,不僅降低了成本,,而且大大提高了可靠性,,綜合效益顯著。