電動自行車充電器的原理與制作

蘇州力久新能源科技有限公司 陳 潔

蓄電池是電動自行車的動力源，電池的儲能消耗后需要及時地補充，否則就會“干枯”成為無電之池。充電器便是給蓄電池補償電能的裝置之一，是電動自行車必備的部件。根據電池組的電壓等級不同常有36V、48V和60V等多種；單節電池的容量C不同，常有12Ah、14Ah、17Ah和20Ah等多種，電池組的充電電流通常取電池容量的0.1到0.2之間。若取0.15C，則對12Ah電池的充電電流應為約1.8A。

一、電路原理

充電器的結構可分為有工頻變壓器和無工頻變壓器兩類。電動自行車使用的充電器屬無工頻變壓器類，有開關電源和比較電路組成。常見有兩種電路形式，一種是采用3842與LM358、或LM393等比較器組成的充電器電路，另一種是采用TL494與LM393等組成的充電器電路。這類充電器一般由市電濾波電路、市電整流電路、直流濾波電路、DC/DC變換電路、高頻整流電路、電壓取樣誤差放大電路、充電電流取樣比較電路等組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 限流式充電器方框圖

本文介紹采用高性能電流模式控制器3842芯片來制作電動自行車充電器，其電路原理如圖2所示。圖2所示電路是電動自行車用48V12Ah鉛酸電池的充電器電路之一，該充電器是由UC3842和TL431組成的開關電源和由運算放大器LM358構成比較器兩部分組成，是一款限流型充電器。

⒈DC/DC變換原理

圖2 鉛酸電池充電器電原理圖

圖3 3842組成的DC/DC變換器原理圖

圖4 3842時序圖

由UC3842等元器件組成的DC/DC變換電路如圖3所示。圖中定時元件RT、CT值決定3842振蕩器頻率的大小。3842內部基準源的引出腳⑧通過定時電阻RT向定時電容CT充電，充電至約2.8V，再由一個內部灌電流源放電至1.2V。誤差放大起是一個提供反相輸入端和輸出端引腳的全補償誤差放大器。該放大器具有90dB的典型直流電壓增益和1.0MHz、57度相移的單位增益帶寬。同相輸入端在內部偏置在2.5V，沒有引出管腳。變換器的輸出端通過電阻分壓，連接到反相輸入端，進行進行電壓取樣實現監控。誤差放大器輸出端①腳提供外部環路補償。該端電壓經兩個二極管降壓約1.4V進行電平移動，再通過電阻分壓至三分之一與電流檢測比較器的反相輸入端相接。UC3842作為電流模式控制器工作，輸出開關導通由振蕩器起始，當峰值電感電流到達誤差放大器輸出/補償（引腳①）建立的門限電平時中止。這樣在逐個周期基礎上誤差信號控制峰值電感電流。所用的電流檢測比較器PWM鎖存配置確保在任何給定的振蕩器周期內，僅有一個單脈沖出現在輸出端。在正常工作條件下，電感峰值電流由①腳上的電壓控制，其電流為IPK=（Upin1-1.4V）/3Rs。在選定RT和CT取某值時，UC3842的時序如圖4所示。

⒉開關電源的工作原理

220V交流市電通過由電容CN1、CN2、互感線圈TP1、電容CN3組成的濾波電路后，經由二極管D1、D2、D3、D4組成的橋式整流器變換成直流電，再經濾波電容C1濾波，為由控制器UC3842等元器件組成的DC/DC轉換器提供直流電壓約310V的電源。該電壓通過啟動電阻R3送至控制器的電源端（7腳），控制器UC3842啟動工作，其輸出端6腳輸出高電平，使功率MOSFET管Q1飽和導通。流過開關變壓器T1初級的電流開始線性增長，當流過的電流在電阻R11上產生的壓降超過1V時，輸出端6腳變成低電平，使功率MOSFET管Q1截止。在Q1截止期間，開關變壓器T1中存儲的能量通過次級主繞組、反饋繞組、輔助電源繞組釋放。次級主繞組通過二級管D7整流和電容C13濾波后輸出。而反饋繞組經二極管D6整流和電容C8濾波后為控制器提供工作電源。輔助電源繞組經二極管D8整流和電容C14濾波后為由TL431等元件組成的穩壓控制電路提供電源。其穩壓過程是，若輸出電壓升高，則電阻R19與R20、R22串聯分壓得到的取樣電壓也升高，該電壓與IC3內部的2.5V基準電壓比較，使內部放大管導通加強，IC3的K極電壓下降，流過光電耦合器IC4內二極管的電流增大，發光強度增大，使控制器IC1的1腳電壓降低，輸出功率MOSFET管Q1飽和導通時間縮短，開關變壓器T1初級的儲能減小，輸出電壓降低。若輸出電壓降低，則控制過程相反。

⒊限流控制原理

限流控制是通過兩級比較器來實現的。第1級比較器由IC2B、R32、R27、R26、R31、C17組成，其中R32、R27將穩壓電壓5.1V進行分壓后接入IC2的⑥腳作為比較的基準點。該點電壓值的大小決定涓流充電的轉折點，按圖9中的元件值充電電流小于500mA后進行涓流狀態。充電器在充電工作狀態時充電電流流過電阻R33，在其上產生的壓降超過⑥腳上的電壓是比較器IC2B翻轉，輸出端⑦腳電壓升至電源電壓。該信號一路去控制風扇旋轉，另一路輸入到第2級比較器IC2A。由于第2級比較器的基準點③腳電動電壓是5.1V，因此該比較器也發生翻轉，輸出端①腳的電壓接近地電位。二極管D9導通、D11截止，充電器輸出電壓升高，進入涓流充電狀態。

充電器在空載狀態時，由于流過電阻R33的電流幾乎為0，故第1級比較器的輸出端⑦腳的電壓也幾乎是0V，因此風扇不工作。而第2級比較器的輸出端①腳電壓接近電源電壓，D9截止、D11導通，充電器空載輸出工作。

二、元器件選擇

圖2中共模電容（Y電容）CN1和CN2主要用來抑制共模干擾；差模電容（X電容）CN3主要用來抑制差模干擾，這幾個電容的容量不宜大于0.1μF，耐壓要求較高。二極管D5、D6、D7、D8、D13必須采用快恢復二極管。變壓器T1也必須采用高頻變壓器，采用PQ32/20B型磁芯；初級共34匝分兩次繞；在骨架上用兩股Φ0.37漆包線先繞15匝后，再用同樣的漆包線三股繞17匝作為次級主繞組，然后再繞初級19匝。反饋繞組和輔助電源繞組都是單股7匝。繞制時注意方向（同名端）。所用元器件的取值如表1所示，實物如圖5所示。

三、安裝和調試

⒈安裝

根據圖2所示電路原理繪制的印刷電路板如圖6所示，元器件布置如圖7所示。

表1 充電器材料清單

圖5 元器件實物

圖6 充電器印刷板圖

圖7 元器件布置

圖8 焊接完畢后的充電器實物

圖9 充電器上電調試接線圖

元器件焊接時，先焊貼片的電阻（注R9和R22不裝）、電容，再焊直插的二極管、三極管、集成電路等（IC2暫時不焊或焊一個插座），最后焊引出線。焊接完成后的控制板實物如圖8所示。

⒉調試

上電調試前，再檢查一遍電路板，排除存在缺件、破損、錯件、雜物、極性反、虛焊、連焊等。并用MF47型萬用表電阻檔R×1k檔測整流濾波電容C1兩端的電阻，黑表筆接電容的“+”極，紅表筆接電容的“-”極，電阻應大于200k。同樣方法測電容C13兩端的電阻應大于1k。確定無誤后便可上電調試。由于充電器中的開關電源的一次回路與交流市電直接相連，且有三百多伏的高壓，故在調試時必須注意人身安全，絕不能雙手同時觸摸不同的元器件，并且在電源輸入側加接隔離變壓器。下面分2步進行調試。

（1）開關電源調試

上電調試接線如圖9（a）所示，圖中TR1為1kVA輸出0至250V的調壓器，TR2為0.5kVA輸入220VAC/輸出220VAC的隔離變壓器，V1為250V交流電壓表，V2為75V直流電壓表。電壓表也可用4位半萬用表的相應電壓檔。上電調試操作步驟如下：①按圖9（a）接線，如圖9（b）所示。②將調壓器TR1旋至0V位置。③把插頭L/N接入市電插座，緩慢地旋轉調壓器旋鈕，使V1指示的電壓逐步上升。若超過120V時開關電壓仍未啟動（若啟動電阻R3取68k，則輸入電壓在50V左右便能啟動），則應立即停止升壓。旋轉調壓器旋鈕至零位，使V1指示的電壓為“0”。④若電源未啟動，斷開輸入/輸出線進一步檢查線路板。有必要的話，用示波器觀察IC1的⑥腳輸出波形。⑤若電源啟動，則停止升壓。觀察輸出電壓V2，應在60V保持穩定。若電壓偏高，則增大電阻R22的值；反之則減小電阻R22的阻值。⑥將開關電源的輸入電壓升至150V，邊升邊觀察V2的電壓，應保持原值穩定；若出現波動或晃動，應立即停止升壓，降至原值觀察。⑦在輸入市電電壓為150V時穩定3分鐘后，切斷電源，用手摸一摸各個元器件的溫升，不應有燙手的感覺。若有應查明原因。⑧輸入電壓為150V時穩定10分鐘后，再緩慢地旋轉調壓器旋鈕，使V1指示的電壓逐步上升至220V。同樣邊升邊觀察V2的電壓，應保持原值穩定；若出現波動或晃動，應立即停止升壓，降至原值觀察。充電器關鍵點的電壓如表2所示。圖10所示波形是該充電器空載時IC1④⑥腳上的波形。

（2）限流點調整

按圖2所示元件值，轉折點的電流為500mA，當充電電流低于0.5A進入涓流充電。調試電路如圖11所示。操作步驟如下：①把運算放大器LM358焊上或插入查找；插上風扇；將變阻器Rw調整在50Ω。②按圖10接線。③接入交流市電。發光二極管L2b點亮，觀察充電器的輸出電壓在56V左右，輸出電流約1.1A。④將變阻器Rw向阻值增大方向調節，使輸出電流逐步下降；當輸出電流降低于0.5A時，風扇會停止旋轉，發光二極管L2b熄滅、L2a點亮。⑤若低于0.4A，風扇等還沒停轉，則需適當增大電阻R27的值；若高于0.5A風扇等就已經停轉，則可在電阻R27上并聯一個電阻，以減小其阻值。

表2 充電器空載時關鍵點電壓

圖10 充電器空載波形

圖11 充電器限流調試接線圖