基于單片機(jī)和SG3525的智能充電電源設(shè)計(jì)

1、引言

蓄電池作為儲(chǔ)能電源已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，但目前成品化蓄電池充電電源的充電方式單一，大部分只有兩級(jí)充電模式，有的甚至只有簡(jiǎn)單的恒壓或恒流充電方式，使用這些方式為電池組充電時(shí)，縮短了蓄電池的壽命，不利于蓄電池的長(zhǎng)期有效使用。充電電源的控制技術(shù)目前可大體分為兩類：第一類采用單片集成PWM控制器件，這類器件具有精度高、抗干擾性強(qiáng)、開關(guān)頻率高、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)；第二類是采用單片機(jī)或DSP的控制技術(shù)，該類控制器采用數(shù)字運(yùn)算，性能穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。本文介紹了一種基于ADUC814單片機(jī)與專用集成PWM控制器SG3525的蓄電池充電電源，它結(jié)合了兩類控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1為充電電源的總體設(shè)計(jì)框圖。市電輸入后，經(jīng)過(guò)整流濾波，再經(jīng)由DC/DC變換電路，生成平滑的直流電用以給蓄電池充電。輸出的電壓或電流檢測(cè)信號(hào)送至控制芯片SG3525，與單片機(jī)所設(shè)定的充電基準(zhǔn)電壓比較，將比較的結(jié)果生成可控電壓，用以控制PWM信號(hào)輸出，PWM信號(hào)再由IR2113專用控制芯片驅(qū)動(dòng)逆變電路中開關(guān)管的通斷時(shí)間，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。生成驅(qū)動(dòng)脈沖的同時(shí)，控制芯片SG3525還可以依據(jù)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行電路保護(hù)，防止過(guò)壓、過(guò)流。單片機(jī)除了對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，還可以顯示輸出電壓和電流。

圖1 充電電源的總體設(shè)計(jì)框圖

主電路采用如圖2所示電路，220V交流電經(jīng)由保險(xiǎn)絲和EMI濾波，在經(jīng)過(guò)橋式整流濾波電路后，得到約300V直流電，經(jīng)過(guò)全橋逆變后，在高頻變壓器副邊采用了全波整流和電感電容濾波，最終得到額定24V直流輸出，送給蓄電池充電，其最大輸出功率可達(dá)900W。

圖2 主電路

檢測(cè)電路部分主要完成對(duì)電流、電壓和溫度的檢測(cè)。電流、電壓檢測(cè)電路目的主要是引入負(fù)反饋以便達(dá)到恒流、恒壓充電以及故障保護(hù)的目的，溫度檢測(cè)的目的是為了得到充電過(guò)程中電池的溫度參數(shù)，以防過(guò)度充電損壞電池。

在設(shè)計(jì)輸出電流檢測(cè)電路時(shí)選用了型號(hào)為FSM050LA的霍爾傳感器，將電流檢測(cè)結(jié)果以電壓形式輸出，送至SG3525的1腳，同時(shí)也將檢測(cè)信號(hào)送至單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換口，以便實(shí)時(shí)顯示，傳感器參數(shù)中變比為1:1000，設(shè)輸出電流最大值為30A，則外接檢測(cè)電阻RM可按如下式計(jì)算，得RM=100Ω。

30*1/100*Rm=3V

在變換器前直流側(cè)同樣采用霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)，將此信號(hào)直接加到SG3525的過(guò)流保護(hù)腳（10腳）。當(dāng)變換器橋臂因逆變失敗造成短路時(shí)，瞬間增大的電流會(huì)在逆變橋輸入直流側(cè)表現(xiàn)出來(lái)，此時(shí)檢測(cè)電壓信號(hào)被送入SG3525的10腳，與基準(zhǔn)電壓1.4V比較，當(dāng)電壓超過(guò)1.4V時(shí)，輸出脈沖立即被封鎖，達(dá)到快速過(guò)流保護(hù)的目的。

電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程和電流檢測(cè)電路類似，在此不再贅述。溫度檢測(cè)是通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，熱敏電阻兩端的電壓信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的ADC通道實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)熱敏電阻電壓與溫度的關(guān)系曲線，得到電池的溫度參數(shù)。

報(bào)警電路由一個(gè)三極管放大電路和蜂鳴器組成，如圖3所示。當(dāng)有故障或需要報(bào)警時(shí)，單片機(jī)I/O口輸出高電平，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫，同時(shí)經(jīng)分壓電阻與單片機(jī)I/O相接的LED發(fā)光，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。

圖3 報(bào)警電路

脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)如圖4所示，采用專用集成芯片SG3525，SG3525有兩路反相PWM脈沖輸出，PWM信號(hào)再由2片IR2113專用控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)四個(gè)開關(guān)管的通斷，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率。移相PWM的相移控制則是通過(guò)芯片內(nèi)部誤差放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。誤差放大器的同相端（1腳）接由單片機(jī)控制輸出的電壓基準(zhǔn)信號(hào)，反相端（2腳）接主電路電流或電壓的檢測(cè)反饋信號(hào)，反饋信號(hào)和參考基準(zhǔn)比較，控制11腳和14腳兩路脈寬調(diào)制波形輸出之間的相位，從而調(diào)整波形占空比，使電壓和充電電流穩(wěn)定在預(yù)定值上。其中電壓電流反饋信號(hào)的切換由肖特基二極管D1和D2的導(dǎo)通截止實(shí)現(xiàn)。

脈寬調(diào)制波形的頻率主要取決于SG3525芯片6腳外接的定時(shí)電阻Rt、5腳外接的定時(shí)電容Ct和放電電阻Rd（連接在5腳與7腳之間的電阻）的大小。它們的關(guān)系滿足公式1：

公式1中f為SG3525的振蕩頻率。

圖4 脈寬調(diào)制控制電路

充電控制技術(shù)是智能充電器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的核心部分。為了達(dá)到最佳充電效果，既實(shí)現(xiàn)大電流充電，又同時(shí)保護(hù)電池，采用多段充電方式，即充電分成涓流、恒流、恒壓、浮充4個(gè)階段。

充電器開始工作后，首先檢測(cè)蓄電池的電池電壓，若電池電壓低于19V，充電器不工作。若電池電壓大于19V而小于21V，說(shuō)明蓄電池曾經(jīng)過(guò)過(guò)度放電，為避免對(duì)蓄電池充電時(shí)電流過(guò)大，造成熱失控，利用單片機(jī)監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓，對(duì)蓄電池實(shí)施穩(wěn)定的小電流涓流充電，激活蓄電池。當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時(shí)，則轉(zhuǎn)入20A大電流恒流充電階段。在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測(cè)電池端電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時(shí)，恒流充電狀態(tài)終止，轉(zhuǎn)而進(jìn)入恒壓充電階段，此時(shí)充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到額定充電電流的1/10時(shí)，轉(zhuǎn)入浮充階段。浮充階段主要用來(lái)補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，至此充電過(guò)程結(jié)束。

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 充電控制流程圖

基于以上的設(shè)計(jì)，搭建了試驗(yàn)樣機(jī)，并測(cè)得幾個(gè)主要波形如圖6-8所示。圖6為SG3525生成的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，圖7和圖8分別為高頻變壓器副邊電壓及充電電源輸出電壓的波形。需要特別指出的是，充電電源與電池組之間有一個(gè)二極管，因此充電電源輸出電壓和電池組電壓并非總是相等。

從試驗(yàn)結(jié)果看，在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿有一定的過(guò)沖，這主要是由漏感產(chǎn)生的，綜合考慮開關(guān)損耗及開關(guān)管的開啟電壓，設(shè)計(jì)達(dá)到了驅(qū)動(dòng)脈沖的要求。圖6的準(zhǔn)方波輸出是全橋變換結(jié)構(gòu)兩個(gè)橋臂互補(bǔ)對(duì)稱導(dǎo)通生成逆變電壓的體現(xiàn)，圖7顯示的輸出電壓穩(wěn)定可靠，紋波電壓小。進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，該電源的電壓調(diào)整率＜1％。

本蓄電池智能充電電源的設(shè)計(jì)，以高頻開關(guān)電源為核心主電路，以ADUC814單片機(jī)和SG3525為主控芯片，采用四段式充電方式，能夠依據(jù)檢測(cè)參數(shù)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換充電狀態(tài)，故障狀態(tài)時(shí)具有聲光報(bào)警功能。與傳統(tǒng)的蓄電池充電電源相比，該充電電源輸出電壓波動(dòng)小，穩(wěn)定可靠，可提高充電速度，操作簡(jiǎn)單且易于維護(hù)，實(shí)用前景廣闊。