基于DSP的软件脉宽调制型电瓶车充电器开关电源设计

马超兵

（浙江海洋学院，浙江 舟山316000）

0 引言

电瓶车电池主要动力源目前使用最广泛的是阀控式铅酸蓄电池。在电瓶车操作过程中，电池存储的化学能转换为电能，使电动机能够运行。为了保持这种转换，要不断对电池进行充电，而电瓶车电池的充电原理主要是将220 V交流电源的电压和电流转换成化学能储存。因此，由电池提供动力的电瓶车，充电器也是其4个主要部分之一［1］。

1 整体设计的电瓶车电池充电器

DC－DC转换器的输入直流电压VS被转换成一个输出直流电压VO。通过变压器B和电隔离G这2个部分实现电气隔离，并应符合GB4706．1规定的安全标准。电气隔离采用光耦管G或脉冲变压器，光耦管G是光耦合器，可发送直流信号，也可发送脉冲信号。脉冲变压器是电磁耦合的，适合于前面所述脉冲信号的发送。因此，必须放置在PWM以及开关S之间，根据电路特点在两者中选择一种。开关S可以是一个功率晶体管或MOSFET FET，通过脉冲宽度调制器的PWM控制。脉冲宽度调制器的作用是在所需时间内将直流电压调制成振幅相同不等宽的脉冲信号。开关S在PWM效应定期关闭，输入直流电压VS被切断成脉冲信号被耦合到输出电路，由二极管VD、电感L和电容C然后由高频变压器B整流后，过滤，得到平滑的输出直流电压VO。DC变换过程可以概括为：直流—交流—直流。分析其优点，由断续的直流转换成高频率的脉冲信号（通常在几十k Hz或更多），频率几乎是电源频率正弦信号为50 Hz频率的1 000倍，因此，可能会使用铁氧体磁性材料的高频变压器的核心是不仅解决了需要大量金属材料（工频变压器一般采用矽钢片铁芯）的难题，而且在相同的功率发送情况下，与频率变压器相比，其体积小、重量轻、成本低。斩波效果的影响下，获得高频率的脉冲信号，使输出电路的电容、电感器的容量和尺寸减少，成本降低，输出电压纹波有所降低［2］。

脉冲宽度调制器（PWM）是开关电源的控制芯片，其特征在于对输入模拟信号，并将输出脉冲信号，输入模拟信号直接影响输出脉冲信号的占空比。PWM输入信号的变化导致输出脉冲宽度的相应变化，改变了开关S接通的时间，由此，调整开关电源从而达到输出电压VO目的。PWM芯片品种和型号很多，可以分为2大类：（1）电压控制型：按照反馈电压型输出脉冲宽度，典型产品TL494，不足之处为瞬态响应速度慢；（2）电流控制型：按照反馈电流型输出脉冲宽度，典型产品UC3842，该控制器的开关电源的电压调整率、负载调整和瞬态响应特性得到改善。

2 控制电路的设计

经过一个变压器，整流器和滤波器被输送到电压调节器电路的调节器，最终成为一个稳定的直流电源。在这个过程中，首先将电路电源变压器，通过变换来改变其控制电路的设计。电源变压器主要由一级绕组、次级绕组和铁芯组成。

2．1 驱动电路

当电流通过半波整流电路，正半波交流电流很容易通过二极管VD。负半波整流二极管VD反向电阻，电流无法通过。因此，在每个正弦周期中，仅通过本整流器的交流电流的一半是一个半波整流电路。作为仅使用电源的正半周期的半波整流电路，功率利用效率是非常低的，所以只用在少数情况下，高电压、电流等的半波整流电路，很少用在正常的电源电路。由于低效率的半波整流电路，所以将电源的负半周期这一参数也应用进来，这种情况下就有一个全波整流器电路［3］。

2．2 信号采集和调理电路

多部分电路都需要稳定的直流电压以工作。稳压电源：不管输入电压或负载变化与否，输出电压始终稳定。常用的2种类型的直流稳压电路包括并联和串联稳压电路。串联型的是调整元件与负载串联，并联型的是调整元件与负载并联。这个稳压电路的输出电压约等于稳压二极管VS的稳压值。这是因为电源在工作时，VT发射结导通，发射极电压和基极电压是一致的，而基极电压被VS稳定在一个固定的值。

2．3 故障保护电路

系统在工作过程中，可能异常发生故障时（如输入过流、输出过压或欠压，电池的短路、开路或反向等），不仅会导致充电器故障，而且会损坏电池，甚至危及工作人员的人身安全和实时保护。如果输入过流，电池短路通过不可恢复的保护方式，应立即关闭PWM驱动信号，切断电源输入，以防止更严重的危险，对于电池过热等可以恢复的保护信号，暂时关闭PWM的输出，当状态恢复后继续工作。

3 脉宽调制功能的DSP程序实现

它的2个输入信号是1个幅度的三角波电压，另一个是比较电压。可变的比较电压，输出频率和三角波是相同的，但占空比与比较电压的变化是一个连续的矩形波脉冲。脉冲宽度调制是一种非常有效的技术，采用微处理器的数字输出对使用模拟电路进行控制，并且被广泛用于许多领域的测量、通信、功率控制和变换。PWM在电瓶车充电器和控制器电路中普遍存在。该速度控制器也施加PWM，速度转把信号是一个随速度转把位置变化的浮动直流电压，转把速度电压比越高，对应输出脉冲较宽，电动机转速越快。电压比较器常用于脉宽调制、多阶段充电器各阶段转换和蓄电池电量显示电路以及各种保护电路，如控制器的蓄电池欠电压保护和过电流保护电路。电压比较器和运算放大器在电路图中的符号一样，但内部构造不同。补偿运算放大器L M358内部包括2个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，推荐的操作条件下，电源电流是独立的电源电压［4］。

充电器的变压器形式采用工频变压器和高频变压器2种类型。工频变压器降压加控制电路类型通常被称为变压器降压型电源，而另一个是一个高频变压器加开关电源的AC／DC（交流／直流）转换器类型。这2种电路都有自己的优缺点：前一种电路可靠性高，但耗电量比较大，效率低；后者电路效率高，功耗低，体积小，摆脱笨重的工频变压器。三段式充电器主要是开关电源充电器，充电电流被限制在约2 A。货运电动三轮车一般使用的是高功率环高频变压器充电器。该充电器的效率低，电流大（可以达到30 A），可靠性高。开关电源充电器被划分成单励式、半桥式和脉冲式3类。市场智能脉冲充电器MCU（单片机CPU）能够适应电池的特性，电路简单，外围元件少，性能优于其他充电器。

4 结语

根据智能充电器的发展和电瓶车电池充电和放电的要求，采用了PC和DSP相结合的控制模式，简化了硬件设计的控制系统，输出更准确、更稳定，智能控制，可视化，也使得系统更易于升级扩容。试验表明，该系统能满足高品质的开关电源的可靠性和实时控制的要求。

［1］马西奎，李明，戴栋，等．电力电子电路与系统中的复杂行为研究综述［J］．电工技术学报，2006，21（12）

［2］谢少军，陈勇．一种通用型航空蓄电池充电器研制［J］．南京航空航天大学学报，2003，35（1）

［3］刘凤君．现代逆变技术及其应用［M］．北京：电子工业出版社，2006

［4］刘遂俊．实用电动自行车充电器与控制器维修技术［M］．北京：机械工业出版社，2009