基于单片机的双闭环控制智能充电器研制

杨彦兵，李辉，刘晓丹

(电子科技大学，四川成都 611731)

基于单片机的双闭环控制智能充电器研制

杨彦兵，李辉，刘晓丹

(电子科技大学，四川成都 611731)

针对当前铅酸电池充电器大多使用单闭环模拟方式控制可靠性低、充电保护功能欠缺、充电效率低等不足，设计了一款基于单片机双闭环控制的铅酸蓄电池智能充电器。给出了其主电路结构和MOSFET驱动器电路，分析了其控制原理并设计了其软件流程图。采用单片机双闭环控制，能够很好地适应负载的大变化范围；采用高性能电源芯片UC3842作为驱动器和前端控制器，实现了前端闭环控制，提高了系统的可靠性；在传统三段式充电过程基础上新增了脉冲充电过程和相应保护功能，可以对电池进行修复，延长电池使用寿命。通过仿真分析和实验验证，证明了本设计的可行性和合理性。

智能充电；UC3842；单片机控制；PWM

由于铅酸蓄电池的维护简单安全、使用方便，广泛作为电动自行车的动力电源；而反复地充电、放电将直接影响电池的蓄电量和寿命[1]。尤其是蓄电池充电过程对其寿命影响最大，过充电、充电不足这些又是导致充电错误的主要原因[2]。另一方面由于充电条件限制，充电器又需要有电池接反、充电过程中电池松动脱落等报警功能。而传统的充电器往往采用全模拟电路控制，不容易或者不能实现上述功能[3-5]。

本文创新使用通用电源芯片UC3842作为MOSFET驱动器和前端电路控制器，并采用变频PWM控制和四阶段充电技术。该充电器能够自动检测电池接入情况，根据蓄电池状态自动进行恒流充电-脉冲充电-恒压充电-浮充充电四个充电阶段转换，而且能对充电器运行状态进行监测；如有故障发生，能及时进行保护和报警。整个充电器具有可靠性高、输出精度高、体积小、质量轻等特点。

1 电路拓扑结构与控制原理

1.1 主电路拓扑结构

充电器主电路采用两级串联AC/DC-DC/AC结构，输入采用单向AC/DC不控整流，输出采用单端反激式逆变电路，主电路结构示意图如图1所示。在此种电路结构中，交流电被整流桥D2整流后，再加上电容C2滤波后变成直流电压。当开关管Q1导通时，变压器存储能量，负载电流由输出滤波电容C1提供；开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供给负载电流时消耗的能量。为了改善开关状态，防止开关器件换流开通时造成较大的尖峰电流及d/d 冲击，应控制电流的开关工作频率略大于负载的固有谐振频率，使等效负载参数呈弱感性，此外还需要在变压器原边上加上尖峰电流吸收缓冲网络。

图1 单端反激式开关电源结构示意图

1.2 控制策略

调频调脉宽控制策略结合了脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)两种控制策略的优点。通过对加在Q1上驱动电平的频率和脉宽同时调节，可实现对输出功率的连续调节控制。与单纯的调频PFM方式相比，它能够在小的频率变化范围实现较大的输出功率调节，又能够实现功率器件的软开关功能。与单纯的调脉冲(PWM)控制相比，它能够实现在轻负载条件下，主电路输出稳定功率连续的功能。图2显示了在电路不同负载条件下的PWM输出波形和调整方式的控制。

图2 不同负载条件下Q1驱动电平的状态

2 硬件设计

调频调脉宽充电器主要由主电路、UC3842驱动电路、电流电压采样电路、保护电路、单片机控制电路及显示报警电路组成。电路硬件框图如图3所示。主电路采用图1所示的单端反激式开关电源作为电路主体结构，电流采样通过串接采样电阻，检测采样电阻两端的电压，而计算出其电流大小；保护电路主要包括电池接反保护电路和电池欠压保护电路，显示及报警电路保护蜂鸣器报警电路和LCD12864显示电路。

图3 调频调脉宽充电器硬件结构框图

2.1 UC3842驱动电路设计

UC3842芯片是一种高性能、低成本的电流控制器。通过设置其外围电路形式和参数，即可作为一个固定频率的控制器使用，并且芯片内部还有一些保护电路，例如芯片电源和基准电压两个欠压锁定比较器等，芯片的驱动能力更高达±1.0 A的峰值驱动电流，当负载为1.0 nF时其上升和下降时间的典型值为50 ns。因此，UC3842可以被作为一个具有保护功能的MOSFET驱动器。UC3842驱动电路如图4所示。

图4 UC3842驱动电路图

在图4中，R1、R2、R3和R7组成的电路网络分压后给UC3842的2脚(电压反馈端)形成对电源电压的反馈，R9、R6、R8和C4组成的电流采样网络，可以控制整个系统的输出电流(即输出功率)。其控制原理为，当控制信号为高电平时，经过电容Ct后将控制信号加到脚4，使芯片输出端为高电平，驱动功率管导通；当控制信号为低时，关断UC3842芯片，从而控制功率管的导通与关断。驱动电路的控制时序图，如图5所示。

图5 UC3842驱动器控制时序图

2.2 保护电路设计

保护电路主要有电池接反保护和电池欠压保护功能，保护电路图如图6所示。当在X1和X2端接入电池后，R1和R3分压使Q1导通，从而使D1反向导通，使系统输出加在D1、Q1、R4和R5回路，从而使Q2导通，系统输出与电池形成电流回路，充电器进入正常充电模式。当电池接反后三极管Q1不能导通，从而Q2截止，系统输出保护，而由D2和光耦817组成的回路导通，光耦器输出低电平信号，再由单片机检测信号从而控制系统输出报警信号并关闭电路前端输出。

图6 充电器输出保护电路图

3 软件设计

系统软件主要包括系统初始化、负载状态检测、PWM输出调整等软件部分。系统程序流程图如图7所示。控制器根据负载电压和系统输出电流判定电池所处的充电状态，并调整PWM的频率和脉宽，控制开关管的开通和关断时间，从而控制充电电流和电压，充电器实时显示充电电流和电池电压等状态信息。

4 实验结果

根据上述理论分析和系统软硬件分析，设计了UC3842驱动器Multisim仿真电路，对驱动器在不同PWM频率和脉宽下的工作状态进行了仿真分析。图8(a)为输入10 kHz占空比为20%信号时，驱动器各个点的信号波形。图8(b)为输入40 kHz占空比为80%信号时，驱动器各个点的信号波形。其中黄色为输入信号，青色为UC3842驱动器4脚上的信号波形，马鞍棕色为输出波形。

在以上仿真分析的基础上，设计并实现了输出最高电压59.2 V、输出电流最大2.8 A的充电器样机。图9为充电器对48 V 20 Ah铅酸蓄电池的充电波形，其中蓝色线表示电池两端电压，紫色线表示电池充电电流。图9中，(a)图为充电器启动和恒流充电时充电电压和充电电流波形，(b)图为脉冲充电时充电电压和充电电流波形，(c)图表示电池从恒流到脉冲，再到浮充的完整充电过程中的充电电压和充电电流波形。

5 结束语

基于单片机控制的调频调脉宽充电器具有恒流充电、脉冲充电、恒压充电和浮充充电四个充电过程，其输出电压、电流稳定，并具有电池接反报警、欠压报警等功能。再采用UC3842前端闭环控制和单片机对输出电压、电压的大闭环控制，实现了对系统的双闭环控制，提高了系统的可靠性和输出精度。

图9 充电器对48 V 20 Ah铅酸蓄电池充电波形[图中横坐标是采样点数(序列从1开始)，间隔时间是1 s，与采样时间一一对应]

[1]周志敏，周纪海，纪爱华.充电器电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2]包有富，闫智刚，朱瑶琳.影响阀控铅酸蓄电池深循环寿命的因素[J].电源技术，2001,25(4):268-270.

[3]高小娅.电动自行车智能充电器设计[D].杨凌：西北农林科技大学，2010.

[4]沙占友.新型单片机开关电源的设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.

[5]林成武，王凤翔.基于UC3842芯片的驱动电路设计[J].微处理机,1999(4):8-12.

Development of microcontroller-based double closed-loop smart charger

YANG Yan-bing,LI Hui,LIU Xiao-dan

Low reliability and charging efficiency,lack of charging protection function,and some other problems of the current chargers based on single closed-loop analog control were considered.A lead-acid battery smart charger of double closed-loop digital control based on microcontroller was introduced.The main circuit and MOSFET diver were presented and analyzed,and the program flow chart was also designed.The novel frequency-varied PWM control method was adopted.The reliability of system was improved by using high-performance power chip UC3842 to be the driver and front-end controller.Pulse current charging process and protective functions were appended in the traditional three-stage charging process.Then the batteries could be maintained,and the life could be extended.The results of simulation and experimentation show that this design is feasible and reasonable.

intelligent charge;UC3842;microcomputer control;PWM

TM 912

A

1002-087 X(2014)02-0307-03

2013-06-30

杨彦兵(1987—)，男，四川省人，硕士生，主要研究方向为智能充电技术、开关电源数字控制技术。