智能型鎳鎘充電器系統的設計

蘇釗+蔣洪+田新明

摘 要：蓄電池被廣泛的應用于工業和家用電子設備中，由于蓄電池的成本低，可以多次循環充電使用，符合國家節能環保的要求。市面上的鎳鎘充電器種類繁多，好的充電器可以延長電池的壽命，不好的充電器在充電工程中可以使電池發熱，甚至出現過沖現象，會使充電池有爆炸的危險。市面上的充電多以檢測電池溫度和充電時間來確定電池是否充滿。而現在研究的充電器除了以上檢測功能以外，通過加入了電池的負壓檢測，來檢測電池是否已經充滿。充電器可以充6～15節電池，充電器通過MCU檢測電池狀態來控制外部硬件，形成一個閉環控制系統。

關鍵詞：負壓檢測 閉環控制 溫度 時間

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0055-03

1 智能型鎳鎘充電器的原理框圖

1.1 充電器

一般都是由電源部分、恒流電路、控制部分以及電池狀態檢測電路組成。電源部分，一般是通過一個開關電源把市電轉換成要充電的電壓，開關電源的好處就是轉換效率高，電能利用率高（見圖1）。

恒流電路是通過檢測充電的電流來控制充電的電壓。電池狀態檢測是通過外部電路檢測當前電池電壓、溫度等參數。控制電路是一般都是由MCU來產生一個控制信號和指示信號。

1.2 設計思路

通過原理框圖結合一些成熟的電路原理圖，經過分析自己可以設計出充電器的硬件原理圖來。

2 智能型鎳鎘充電器的硬件原理

2.1 交流-直流整流電路

市電經過電路后接兩個電阻給電容XC1放電使用，防止在充電器拔出后人體碰觸插頭被電麻，電感LF1是對電源的電流起到一個濾波的作用，使得電流平穩。4個二極管是對電壓進行橋式整流轉換成一個脈動的直流電壓供電源的高壓一次側使用。

2.2 高壓一次側的主回路和震蕩電路。

脈動的直流電壓，電壓經過二極管D10和電阻R15，R17到震蕩芯片OB2263，給震蕩芯片一個剛上電的電壓，讓芯片產生震蕩電壓給場效應管Q2工作，即導通和關斷。芯片產生的震蕩頻率為：

Fosc=6500/RI（Kohm）（kHz）

當場效應管Q2導通后，電壓經過高頻磁芯T1A的高壓側，經過開關管，還有下面4個并聯的0.5ohm電阻形成回路，產生電流。回路電流經過高頻磁芯，T1A的高壓側，會在二次側產生一個感應的電流。

經過4個并聯的電阻后，會在電阻上面產生一個電壓，反饋到芯片OB2263中芯片會根據這個電壓來調節輸出頻率。在上電后，OB2263的產生震蕩足以在T1B高頻磁芯的二次側，電壓經過D9，R14來給OB2263提供電源。

2.3 恒流轉換電路

這是一個充電電路，高壓一次側經過高頻磁芯T1A產生變化的電流，在二次側產生感應電流，而產生感應電壓，對電阻R10，R11起到保護的作用，在沒有外部回路的時候，即沒有接上電池的時候，或者開關管AO3401關斷的時候，會經過電阻形成電流回路。開關管經過控制電路核心芯片MCU控制。Vo_bat端口的電壓，反饋到MCU的ADC上。D7，R9和控制電路的電源接到一起，起到輔助供電的作用。R13作為一個采樣電阻，其作用是可以采樣流過電池中的電流，在電阻上形成一個電壓，這個電壓和控制電路的比較器的固定電壓比較，產生電平信號對芯片OB2263的FB信號進行控制，來控制一次側的開關頻率，從而起動對電流的控制作用。在電阻R13上的電壓可以表示為：

Vs=In×0.1（V）

2.4 控制電路以及其供電電路

高壓側的開關管在一次側產生一個變化的電流，高頻磁芯T1C二次側也會產生一個感應電流，經過回路會有一個感應電壓。穩壓電路TL431，經過反向電壓形成電壓，讓三極管MPS222A打開，經過濾波電容C6，形成一個穩定的電壓M_VDD，供控制芯片供電。

電池狀態檢測電路，M_VDD經過R39到端口NTC，這是一個溫度開關，用來檢測電池的溫度，當電池溫度過高的時候，溫度開關會斷開，否則溫度開關會閉合。還有一個電阻分壓電路R35，R33，用來測量電池當前的電壓，以檢測電池的負壓。

分得的電壓為：

V=Vo_bat×1.5/（33+1.5）（V）

CTR端口是有MCU的P1.4端口控制，當P1.4端口為高電平時候，三極管Q3導通，則恒流電路的AO3401開關管打開，對電池充電，反之，開關管關斷，電池不充電。

充電指示電路LED端口，接一個雙向的LED燈，用來支持是否在充電狀態，充電狀態指示燈會亮紅等，其他狀態會亮綠燈。

MCU的特點就是內部有一個比較器，對整個充電電路起到關鍵的作用，也節省了一個比較器的成本。P5.5為比較器的正端，接上了一個固定的電壓：

V+=M_VDD×10/（33+10）（V）

負端接上一個采樣電壓，即恒流電路中采樣電阻上的電壓（V-）。P1.2為比較器的輸出端。當V+>V-的時候P1.2輸出高電平，當V+

3 控制電路的軟件系統

3.1 軟件系統流程

在MCU上電或者復位之后，MCU必須起動比較器，比較器是整個硬件電路的關鍵，要起到恒流的作用必須要開啟比較器。還有一系列的系統初始化MCU的IO口的配置，在一系列的初始化以后，進入到充電系統循環。（見圖3）

3.2 充電結束的條件

由圖3可以看出來，充電結束有3個條件，只要滿足其中的一個條件，充電過程就會結束。充電結束只要達到充電結束的條件，需要立即停止充電，這個時候，需要檢測的就是電池是否拔出，如果電池沒有拔出，不允許重新循環充電，這樣會損傷電池。檢測電池是否拔出，可以檢測外部的電壓，通過ADC采樣電池電壓，如果電池還在測存在電壓，如果電池不存在，則電池電壓很小。

參考文獻

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