摘要：為了有效地提升鉛酸蓄電池的使用壽命，同時實現(xiàn)對充電過程的監(jiān)控，設(shè)計出一種用單片機控制的36 V鉛酸蓄電池充電電源。本電路采用反激式拓撲，連續(xù)電流工作模式，電源管理IC設(shè)計在電源的副邊，由ELAN公司的EM78P258N單片機模擬，是用可編程器件模擬電源管理IC，實現(xiàn)智能電源低成本化的一次成功嘗試，通過對單片機的軟件設(shè)計實現(xiàn)了充電電源的狀態(tài)顯示、充電時間控制、報警、過溫保護、過壓保護、過流保護等功能。本充電器真正的實現(xiàn)了鉛酸蓄電池的三段式充電過程，其最高輸出功率可達90 W，效率約85％，成本不到20元，具有很高的市場競爭力。
關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；充電電源；單片機；電源管理IC
鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價格低廉而得到了廣泛的使用。但是，若使用不當，其壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，而采用正確的充電方式，能有效延長蓄電池的使用壽命。研究發(fā)現(xiàn)：電池充電過程對電池壽命影響最大，放電過程的影響較少。也就是說，絕大多數(shù)的蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見，一個好的充電器對蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。
目前比較被認可的充電曲線如圖1所示。也即常說的三階段充電法：在充電開始和結(jié)束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當電流衰減到預(yù)定值時，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，最大限度的保護蓄電池的壽命。
傳統(tǒng)的3842式充電器性能可靠，價格低廉，但卻只能實現(xiàn)充電曲線的前兩個階段，無法實現(xiàn)浮充(涓流)階段，而且無法實現(xiàn)智能控制。市場上的一些所謂的智能充電器，又無一例外的價格高昂，沒有市場競爭力。本文介紹了一種采用單片機做電源管理IC的智能充電器，可以真正的實現(xiàn)三段式充電過程，并且具有狀態(tài)顯示、充電時間控制、報警等功能，而且整機成本不到20元，極具市場競爭力。
1 電源設(shè)計方案
1．1 總體方案簡介
采用單片機做電源管理IC，瓶頸問題是單片機的運算速度較慢，當負載出現(xiàn)突變時無法及時做出調(diào)節(jié)，而本例的負載是電池，給電池進行充電的過程恰好不會出現(xiàn)負載突變這個問題，這使得采用單片機作為電源管理IC成為可能。
由于本電路的輸出功率小于100 W，所以采用反激式拓撲形式，反激式拓撲最大的優(yōu)點是不需要輸出濾波電感，這使得反激式拓撲的成本較低，體積較小。電源管理IC設(shè)計在電路副邊，由ELAN品牌的EM78P258N單片機模擬，單片機的運算頻率設(shè)定為8 MHz。EM78P258N是一款具有很高性價比的單片機，其工作頻率最高可達20 MHz(外接振蕩器模式)，內(nèi)部設(shè)置了4個12位精度的AD轉(zhuǎn)換器、2Kx13位片內(nèi)寄存器、3個八位、一個十六位計時器和一個PWM波形發(fā)生器，具有看門狗功能。電路的初級和次級由變壓器進行隔離，變壓器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且很容易實現(xiàn)初次級3 000VAC的抗電強度。該充電器最高輸出約可為45 V／2 A，并可根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)。本充電器的開關(guān)頻率設(shè)為40 KHz，每個周期被等分為200個部分，PWM每次可以調(diào)節(jié)1／200個周期，即125 ns。
本充電器的電路如圖2所示。市電輸入經(jīng)橋式整流后，形成約300 V直流電壓。本電路的整流濾波電路與通常有所不同，對蓄電池充電器來說，整流后的100 Hz脈動電流沒必要濾除干凈，100 Hz的脈動電流對蓄電池充電不僅無害，反而有利，在一定程度上可起到脈沖充電的效果，使充電過程中蓄電池的化學(xué)反應(yīng)有緩沖的機會，防止連續(xù)大電流充電形成的極板硫化現(xiàn)象。
單片機初始工作電壓，是由負載電池提供的，當沒有接上負載電池時，本充電器不會工作。由于單片機EM78P258N芯片的采樣精度與它的供電的電源紋波有關(guān)，這里采用7805芯片給它供電。EM78P258N芯片輸出的PWM脈沖的高電平為5V，而IRF840的開通電壓為4V，但由于EM78P25 8N芯片的輸出信號要先經(jīng)過放大電路，再經(jīng)過信號變壓器的耦合，才去驅(qū)動開關(guān)管IRF840，PWM波形難免會出現(xiàn)畸變。為了降低損耗，這里將信號放大電路的電壓設(shè)置為20 V，經(jīng)測試，此舉會大大提高電路的效率，此20 V電壓由7820芯片提供。7805芯片和7820芯片的輸入均接到本充電器的輸出端(圖2中未繪出)。EM78P258N芯片的6腳和7腳用來控制信號燈，通過觀察兩個信號燈的開滅狀態(tài)就可以知道本電路工作在哪個階段下。11腳被設(shè)定為警報控制信號端，當電池充電過程完成，或者充電器出現(xiàn)故障時，此腳控制警報器發(fā)出不同的報警聲。4個AD轉(zhuǎn)換器中，13腳用來采集電壓信號，14腳用來采集電流信號，1腳用來采集溫度信號，2腳閑置，可用于以后的功能升級。3腳用來監(jiān)控220VAC市電，當充電器斷電后，單片機進入休眠狀態(tài)。電流采樣電阻還可以完成假負載的功能。
本電路在市電和蓄電池均聯(lián)接上后，才開始工作，蓄電池和市電任一個斷開，電路即停止工作，可靠性較好。
1．2 單片機軟件的設(shè)計
由于EM78P258N芯片并不是專用的電源管理IC，所以在程序設(shè)計時，一定要盡可能將所有可能出現(xiàn)的工作狀態(tài)全部考慮到。由于單片機的運算速度的限制(在本例中，一個指令周期為125 ns)，不可能實現(xiàn)特別準確的電壓或電流輸出，但對于鉛酸電池來說，適當?shù)碾妷夯螂娏骷y波反而有利于消除極板硫化現(xiàn)象。
軟件控制流程如圖3所示。當蓄電池接上后，單片機開始工作，初始化后，PWM緩慢打開，然后檢測電流采樣電阻上的電壓，將電路的輸出電流控制到1．8～2 A之間，同時檢測輸出電壓并計時，如果電路輸出電壓到達42 V的時間小于10 s，就認為這個電池本身就滿的，程序直接轉(zhuǎn)到涓流狀態(tài)。當電路的輸出電壓達到43 V后，程序轉(zhuǎn)到恒壓充電階段，此階段將電路的輸出電壓控制到43～45 V之間，同時檢測輸出電流并計時，當輸出電流小于200 mA時，程序轉(zhuǎn)到恒壓轉(zhuǎn)涓流階段。由于在恒壓階段，電池已經(jīng)被浮充到了44．6 V左右，而涓流階段的電壓要求為41．4 V左右，如果恒壓階段結(jié)束后直接轉(zhuǎn)到涓流階段，就會出現(xiàn)電池的電壓高于充電器輸出電壓的情況，充電電流為零，強迫程序結(jié)柬。所以在恒壓階段結(jié)束后，程序先進入一個恒壓轉(zhuǎn)涓流階段，在此階段，將充電電流控制到80～100 mA之間，隨著充電電流的下降，電池兩端的電壓也會下降，當電池兩端的電壓降至40 V以下時，程序轉(zhuǎn)到涓流階段繼續(xù)對電池進行充電，從而真正實現(xiàn)了三段式的充電模式。涓流階段持續(xù)半小時或者充電電流小于50 mA后，單片機在蜂鳴提示后，進行到睡眠狀態(tài)，充電過程結(jié)束。
在單片機的整個工作過程，充電器的輸出電壓和輸出電流一直被監(jiān)控，如果單片機的程序末完成，蓄電池即被取下，這時開關(guān)管開通時儲存在變壓器里的能量無法被充分釋放，長時間后會導(dǎo)致變壓器的磁飽和，繼而燒毀充電器。所以在程序中，設(shè)定當充電電流為零，充電過程即強制結(jié)束。如果檢測到充電器的輸出電壓過高或輸出電流過大，充電程序也會強制結(jié)束，保護蓄電池不會損壞。
在程序中，各階段的執(zhí)行時間均被記錄，如果充電時間過長或充電時間過短，均會跳至對應(yīng)的程序段，或點亮信號燈，或蜂鳴報警，或強制結(jié)束程序，這使得充電狀態(tài)一目了然。
1．3 變壓器設(shè)計簡介
由于電池的充電電流不可以為零，所以本充電器必須工作在連續(xù)工作模式下，反激變壓器即使工作在電流連續(xù)模式，盡管總安匝不會停留在零，但是，對于反激變壓器的每個線圈來說，線圈電流總是處于斷續(xù)狀態(tài)。當然電流(安匝)斷續(xù)更是如此。這是因為開關(guān)期間，電流(安匝)在初級和次級之間來回轉(zhuǎn)換，即初級安匝減少時，次級安匝等量增加，反之亦然。雖然總安匝是連續(xù)的，紋波很小，但每個線圈的電流交
替由零到最高峰值之間變化。無論什么工作模式，線圈交流損耗大。
為了降低成本，本例中使用的開關(guān)器件是IRF840(500 V、8 A)，這使得變壓器的匝數(shù)比不可能太大，因為市電經(jīng)整流濾波后的電壓約為300VDC，充電器的最高輸出電壓約為45VDC，設(shè)計時設(shè)定匝數(shù)比N1／N2為2，這樣IRF840芯片約有100VDC的漏感尖峰裕度，降幅較為可靠。
變壓器的初級和次級的伏秒數(shù)要保持平衡，由此可推算出開關(guān)管的最大開通時間
式中，為變壓器原邊的最低輸入電壓，T為開關(guān)周期，VO為輸出電壓，N1為初級匝數(shù)，N2為次級匝數(shù)，這里忽略了電路中開關(guān)管和二極管的導(dǎo)通壓降。
假設(shè)充電器的效率為80％，充電器的輸出功率為100 W，由于開關(guān)管的最大導(dǎo)通時間出現(xiàn)在輸入電壓最低的時候，可推得變壓器的初級電感量
式中，PO為輸出功率。
為保證本充電器可以可靠的工作在連續(xù)電流模式下，經(jīng)調(diào)試，變壓器的實際參數(shù)如下：磁芯采用TDK的PC40EER40磁芯，磁芯芯柱的氣隙設(shè)為1．58 mm，骨架采用排距25 mm、針距5 mm、6x6針的立式骨架。初級繞組用0．64mm高強度漆包線繞97匝，電感量780 μH；次級繞組用0．64 mm高強度漆包線三線并繞50匝，電感量為208 μH。初次級之間墊入3層聚脂薄膜，不浸漆。
2 總結(jié)
經(jīng)測試，本充電器的最高輸出功率可達90 W，效率約85％，整機成本約20元人民幣，具有很強的市場競爭力。
由于單片機的運算速度的限制，使用單片機模擬電源管理IC無法做到使反饋環(huán)路非常穩(wěn)定，這給電路的熱設(shè)計增加了難度。如果要優(yōu)化熱設(shè)計，可采用給單片機外置振蕩器，將其工作頻率提高到20 MHz的方法，也可以將恒流充電階段再分成若干個階段，隨著充電器輸出電壓的提高，逐漸的降低輸出電流以降低輸出功率，以延長充電時間為代價來降低充電器的發(fā)熱量，可以大幅降低充電器的工作溫度。
本設(shè)計是采用單片機模擬電源管理IC，實現(xiàn)電源智能化的一次成功嘗試，通過本次嘗試，相信可以大大擴展智能化電源的設(shè)計思路。
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