电动自行车充电器的原理与制作

苏州力久新能源科技有限公司 陈 洁

蓄电池是电动自行车的动力源，电池的储能消耗后需要及时地补充，否则就会“干枯”成为无电之池。充电器便是给蓄电池补偿电能的装置之一，是电动自行车必备的部件。根据电池组的电压等级不同常有36V、48V和60V等多种；单节电池的容量C不同，常有12Ah、14Ah、17Ah和20Ah等多种，电池组的充电电流通常取电池容量的0.1到0.2之间。若取0.15C，则对12Ah电池的充电电流应为约1.8A。

一、电路原理

充电器的结构可分为有工频变压器和无工频变压器两类。电动自行车使用的充电器属无工频变压器类，有开关电源和比较电路组成。常见有两种电路形式，一种是采用3842与LM358、或LM393等比较器组成的充电器电路，另一种是采用TL494与LM393等组成的充电器电路。这类充电器一般由市电滤波电路、市电整流电路、直流滤波电路、DC/DC变换电路、高频整流电路、电压取样误差放大电路、充电电流取样比较电路等组成，其原理框图如图1所示。

图1 限流式充电器方框图

本文介绍采用高性能电流模式控制器3842芯片来制作电动自行车充电器，其电路原理如图2所示。图2所示电路是电动自行车用48V12Ah铅酸电池的充电器电路之一，该充电器是由UC3842和TL431组成的开关电源和由运算放大器LM358构成比较器两部分组成，是一款限流型充电器。

⒈DC/DC变换原理

图2 铅酸电池充电器电原理图

图3 3842组成的DC/DC变换器原理图

图4 3842时序图

由UC3842等元器件组成的DC/DC变换电路如图3所示。图中定时元件RT、CT值决定3842振荡器频率的大小。3842内部基准源的引出脚⑧通过定时电阻RT向定时电容CT充电，充电至约2.8V，再由一个内部灌电流源放电至1.2V。误差放大起是一个提供反相输入端和输出端引脚的全补偿误差放大器。该放大器具有90dB的典型直流电压增益和1.0MHz、57度相移的单位增益带宽。同相输入端在内部偏置在2.5V，没有引出管脚。变换器的输出端通过电阻分压，连接到反相输入端，进行进行电压取样实现监控。误差放大器输出端①脚提供外部环路补偿。该端电压经两个二极管降压约1.4V进行电平移动，再通过电阻分压至三分之一与电流检测比较器的反相输入端相接。UC3842作为电流模式控制器工作，输出开关导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出/补偿（引脚①）建立的门限电平时中止。这样在逐个周期基础上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流检测比较器PWM锁存配置确保在任何给定的振荡器周期内，仅有一个单脉冲出现在输出端。在正常工作条件下，电感峰值电流由①脚上的电压控制，其电流为IPK=（Upin1-1.4V）/3Rs。在选定RT和CT取某值时，UC3842的时序如图4所示。

⒉开关电源的工作原理

220V交流市电通过由电容CN1、CN2、互感线圈TP1、电容CN3组成的滤波电路后，经由二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式整流器变换成直流电，再经滤波电容C1滤波，为由控制器UC3842等元器件组成的DC/DC转换器提供直流电压约310V的电源。该电压通过启动电阻R3送至控制器的电源端（7脚），控制器UC3842启动工作，其输出端6脚输出高电平，使功率MOSFET管Q1饱和导通。流过开关变压器T1初级的电流开始线性增长，当流过的电流在电阻R11上产生的压降超过1V时，输出端6脚变成低电平，使功率MOSFET管Q1截止。在Q1截止期间，开关变压器T1中存储的能量通过次级主绕组、反馈绕组、辅助电源绕组释放。次级主绕组通过二级管D7整流和电容C13滤波后输出。而反馈绕组经二极管D6整流和电容C8滤波后为控制器提供工作电源。辅助电源绕组经二极管D8整流和电容C14滤波后为由TL431等元件组成的稳压控制电路提供电源。其稳压过程是，若输出电压升高，则电阻R19与R20、R22串联分压得到的取样电压也升高，该电压与IC3内部的2.5V基准电压比较，使内部放大管导通加强，IC3的K极电压下降，流过光电耦合器IC4内二极管的电流增大，发光强度增大，使控制器IC1的1脚电压降低，输出功率MOSFET管Q1饱和导通时间缩短，开关变压器T1初级的储能减小，输出电压降低。若输出电压降低，则控制过程相反。

⒊限流控制原理

限流控制是通过两级比较器来实现的。第1级比较器由IC2B、R32、R27、R26、R31、C17组成，其中R32、R27将稳压电压5.1V进行分压后接入IC2的⑥脚作为比较的基准点。该点电压值的大小决定涓流充电的转折点，按图9中的元件值充电电流小于500mA后进行涓流状态。充电器在充电工作状态时充电电流流过电阻R33，在其上产生的压降超过⑥脚上的电压是比较器IC2B翻转，输出端⑦脚电压升至电源电压。该信号一路去控制风扇旋转，另一路输入到第2级比较器IC2A。由于第2级比较器的基准点③脚电动电压是5.1V，因此该比较器也发生翻转，输出端①脚的电压接近地电位。二极管D9导通、D11截止，充电器输出电压升高，进入涓流充电状态。

充电器在空载状态时，由于流过电阻R33的电流几乎为0，故第1级比较器的输出端⑦脚的电压也几乎是0V，因此风扇不工作。而第2级比较器的输出端①脚电压接近电源电压，D9截止、D11导通，充电器空载输出工作。

二、元器件选择

图2中共模电容（Y电容）CN1和CN2主要用来抑制共模干扰；差模电容（X电容）CN3主要用来抑制差模干扰，这几个电容的容量不宜大于0.1μF，耐压要求较高。二极管D5、D6、D7、D8、D13必须采用快恢复二极管。变压器T1也必须采用高频变压器，采用PQ32/20B型磁芯；初级共34匝分两次绕；在骨架上用两股Φ0.37漆包线先绕15匝后，再用同样的漆包线三股绕17匝作为次级主绕组，然后再绕初级19匝。反馈绕组和辅助电源绕组都是单股7匝。绕制时注意方向（同名端）。所用元器件的取值如表1所示，实物如图5所示。

三、安装和调试

⒈安装

根据图2所示电路原理绘制的印刷电路板如图6所示，元器件布置如图7所示。

表1 充电器材料清单

图5 元器件实物

图6 充电器印刷板图

图7 元器件布置

图8 焊接完毕后的充电器实物

图9 充电器上电调试接线图

元器件焊接时，先焊贴片的电阻（注R9和R22不装）、电容，再焊直插的二极管、三极管、集成电路等（IC2暂时不焊或焊一个插座），最后焊引出线。焊接完成后的控制板实物如图8所示。

⒉调试

上电调试前，再检查一遍电路板，排除存在缺件、破损、错件、杂物、极性反、虚焊、连焊等。并用MF47型万用表电阻档R×1k档测整流滤波电容C1两端的电阻，黑表笔接电容的“+”极，红表笔接电容的“-”极，电阻应大于200k。同样方法测电容C13两端的电阻应大于1k。确定无误后便可上电调试。由于充电器中的开关电源的一次回路与交流市电直接相连，且有三百多伏的高压，故在调试时必须注意人身安全，绝不能双手同时触摸不同的元器件，并且在电源输入侧加接隔离变压器。下面分2步进行调试。

（1）开关电源调试

上电调试接线如图9（a）所示，图中TR1为1kVA输出0至250V的调压器，TR2为0.5kVA输入220VAC/输出220VAC的隔离变压器，V1为250V交流电压表，V2为75V直流电压表。电压表也可用4位半万用表的相应电压档。上电调试操作步骤如下：①按图9（a）接线，如图9（b）所示。②将调压器TR1旋至0V位置。③把插头L/N接入市电插座，缓慢地旋转调压器旋钮，使V1指示的电压逐步上升。若超过120V时开关电压仍未启动（若启动电阻R3取68k，则输入电压在50V左右便能启动），则应立即停止升压。旋转调压器旋钮至零位，使V1指示的电压为“0”。④若电源未启动，断开输入/输出线进一步检查线路板。有必要的话，用示波器观察IC1的⑥脚输出波形。⑤若电源启动，则停止升压。观察输出电压V2，应在60V保持稳定。若电压偏高，则增大电阻R22的值；反之则减小电阻R22的阻值。⑥将开关电源的输入电压升至150V，边升边观察V2的电压，应保持原值稳定；若出现波动或晃动，应立即停止升压，降至原值观察。⑦在输入市电电压为150V时稳定3分钟后，切断电源，用手摸一摸各个元器件的温升，不应有烫手的感觉。若有应查明原因。⑧输入电压为150V时稳定10分钟后，再缓慢地旋转调压器旋钮，使V1指示的电压逐步上升至220V。同样边升边观察V2的电压，应保持原值稳定；若出现波动或晃动，应立即停止升压，降至原值观察。充电器关键点的电压如表2所示。图10所示波形是该充电器空载时IC1④⑥脚上的波形。

（2）限流点调整

按图2所示元件值，转折点的电流为500mA，当充电电流低于0.5A进入涓流充电。调试电路如图11所示。操作步骤如下：①把运算放大器LM358焊上或插入查找；插上风扇；将变阻器Rw调整在50Ω。②按图10接线。③接入交流市电。发光二极管L2b点亮，观察充电器的输出电压在56V左右，输出电流约1.1A。④将变阻器Rw向阻值增大方向调节，使输出电流逐步下降；当输出电流降低于0.5A时，风扇会停止旋转，发光二极管L2b熄灭、L2a点亮。⑤若低于0.4A，风扇等还没停转，则需适当增大电阻R27的值；若高于0.5A风扇等就已经停转，则可在电阻R27上并联一个电阻，以减小其阻值。

表2 充电器空载时关键点电压

图10 充电器空载波形

图11 充电器限流调试接线图