一種具有充電功能的交直流轉換電路的設計與實現

王 強 蘭 陟 邢陽輝 王 麗

(國家康復輔具研究中心)

一種具有充電功能的交直流轉換電路的設計與實現

王 強 蘭 陟 邢陽輝 王 麗

(國家康復輔具研究中心)

介紹了一種具有充電功能的交直流轉換電路的設計方法,分別對交直流轉換電路、直流電壓轉換電路和電池充電電路進行設計。實際應用表明：在有220V(AC)或電池的情況下，電源都可以穩定輸出24、12、3.3V直流電壓。

交直流轉換電路 電壓轉換 輸出電壓

交直流轉換電路為直流電機驅動電路提供輸入電源。現有的交直流轉換電路在實際使用過程中，在220V(AC)通斷的連續性上不穩定，而且在受到負載電流沖擊時容易出現異常，應該在電路設計中增加抗電壓跌落功能模塊，以增強控制的可靠性[1]。另外，傳統充電方式是通過逆變器將直流電轉換為交流電，然后利用能量轉換裝置將電能轉換為機械能[2]，這樣流經電路的電流會因能量轉換而產生損耗。王金玉等采用全橋電磁隔離式直流變換電路結構和高頻雙向PWM控制策略，提高了電路輸出端的調壓范圍，起到了穩定電壓的作用[3]。陳華鋒等提出由兩級變換電路組成級聯電路的設計方案，擴大了電壓的輸入范圍，但電路設計較為復雜[4]。設計電源電路時提高其抗干擾能力和運行穩定可靠性是最重要的[5]。為了實現控制電機驅動時更加穩定可靠的目的[6]，解決輸入電壓不穩定的難題，并簡化電路設計，筆者在進行電源設計時，在沒有220V(AC)電壓的情況下，依靠電池工作穩定輸出。在電路設計方面選擇用比較器比較輸出的方法，解決電壓穩定性問題。在電池充電方面提供了一種比較電壓的方式判斷充電電路，以有效保護電池，使充電功能更加高效。

1 電源整體設計

具有充電功能的交直流轉換電路，包括了交流轉直流電路、電池充電電路和直流電壓轉換電路(圖1)，其中交流轉直流電路用于將交流電轉換為第1預定直流電壓輸出(24V)，該直流電壓的輸出端與充電電路的輸入端連接，為充電電池充電；該輸出端還連接直流電壓轉換電路的輸入端，該直流電壓轉換電路將該第1預定直流電壓轉換為第2預定直流電壓(12V)和第3預定直流電壓(3.3V)后輸出。

圖1 具有充電功能的交直流轉換電路結構框圖

2 交流轉直流電路

如圖2所示，交流轉直流電路是由工頻變壓器(型號TTO-1-632-00)高電壓端的兩個端子接220V(AC)市電電源，變壓器低電壓端的3個端子分別連接繼電器(型號AZ943S)和由4個二極管組成的整流電路。變壓器低壓側第1端子AC0端接繼電器AZ943S的常閉觸點(第3腳)；變壓器低壓側中間端子AC1端接繼電器AZ943S的常開觸點(第2腳)；變壓器低壓側第2端子AC2端連接到整流電路中二極管D3的正極；繼電器AZ943S的開關觸點，即第1腳連接到二極管D4的正極；二極管D5正極接地，負極連接二極管D3的正極；二極管D6正極接地，負極連接二極管D4的正極；二極管D3和二極管D4負極相連，作為整流電路的輸出端，輸出24V(DC)的電壓。

圖2 交流轉直流電路

LM358是遲滯比較器，包括兩組運算放大器U1A和U1B，U1B通過LM358的第5、6、7腳工作，連接U1B的50kΩ電阻R7是正反饋電阻[7]，該電阻兩端連接U1B的第5腳(正極輸入端)和第7腳(輸出端)，用于保證第7腳輸出足夠的電壓，以觸發Q3(Q3為三極管9013)。R10為50kΩ電阻，一端接6V(DC)電壓，6V(DC)電壓是電池充電電路中12V(DC)電壓經過電阻分壓后得到的，R10的另一端接U1B的第5腳，用于保護LM358的第5腳，也即起到限流作用，限制流入第5腳的電流的大小，避免燒壞U1B。R15、R16、R19和R20是分壓電阻，阻值分別為50、15、50、20kΩ，R19一端接整流電路輸出端24V(DC)電壓、另一端與R15串聯后接LM358的第6腳(負極輸入端)；R20一端接地、另一端與R16串聯后接LM358的第6腳；R15、R16、R19和R20用于將整流得到的24V(DC)電壓分壓，輸入LM358的第6腳。CE1和CE2為100μF/20V電解電容,作用是濾波。CE1正極接U1B的第6腳，負極接地；CE2正極接Q3基級，負極接地。U1B的第7腳是輸出端，接4.7kΩ電阻R11，R11另一端接Q3的基極。Q3的集電極接繼電器電磁線圈的負極第5腳，Q3的發射極接地。繼電器的電磁線圈正極第4腳接整流輸出電壓24V(DC)；二極管D7連接繼電器的電磁線圈正負極第4腳和第5腳，D7的可選型號為1N4148，D7正極接繼電器RLY1的第5腳，負極接繼電器RLY1的第4腳，D7是保護二極管。正常通電情況下，電壓24V(DC)加到D7負極，D7處于截止狀態，所以二極管在電路中不起任何作用，也不影響其他電路的工作。電路斷電瞬間，繼電器兩端產生下正上負且幅度很大的反向電動勢，這一反向電動勢正極加在二極管正極上，負極加在二極管負極上，使二極管處于正向導通狀態，反向電動勢產生的電流通過內阻很小的二極管D7構成回路。二極管導通后的管壓降很小，這樣繼電器兩端的反向電動勢幅度被大幅減小，達到保護驅動的目的。

交流轉直流電路的工作原理是：采用TTO-1-632-00型工頻變壓器將220V(AC)電壓轉變為設備能使用的24V(DC)電壓，其中4個二極管D3、D4、D5和D6起整流作用。

LM358用于比較轉換后的24V(DC)電壓是否過高。具體比較過程為：U1B通過LM358的第5、6、7腳工作，第5腳和第6腳的輸入電壓進行比較，如果24V(DC)電壓過高，則第7腳輸出高電平，觸發9013二極管Q3，使繼電器常開觸點閉合，從而改變變壓器低壓側次級線圈的匝數(降低次級線圈的匝數)，使輸出電壓降低。

因為220V(AC)電壓是市電，可能會不穩，如果220V(AC)市電過高，那么輸出的24V(DC)也會相應升高，繼電器就會動作，將輸出匝數改變(減少)，輸出電壓也就降下來了，保證輸出直流電壓不會過高。

3 電池充電電路

圖3為電池充電電路，12V(DC)電壓輸入端連接的是通過直流電壓轉換電路轉換24V(DC)電壓后所得。U1A通過LM358芯片的第1、2、3、4、8腳工作，其中第8腳為電源端，第4腳接地。第8腳接12V(DC)電壓輸入端，用于供電，電容C1(0.1μF)的作用是濾波，一端接12V(DC)電壓輸入端，另一端接地。R2、R4是分壓電阻，阻值分別是47.0、4.7kΩ，R2一端接12V(DC)電壓輸入端，另一端接R4，R4另一端接U1A的第3腳(正極輸入端)；R9、R14是分壓電阻，阻值都是47.0kΩ，R9一端連接U1A的第3腳，另一端與R14相連，R14的另一端接地。根據分壓原理，由R2、R4、R9、R14的阻值計算出U1A的第3腳的電壓值是6V(DC)。U1A的第2腳(負極輸入端)接電阻R17(25.0kΩ)，R17另一端接電阻R18(4.7kΩ)，R18另一端接地；U1A的第2腳還連接電阻R12(50kΩ)，R12另一端接電阻R13(50kΩ)，R13另一端接充電電池P1的正極。U1A的第1腳為輸出端，U1A的第1腳和第8腳之間連接正反饋上拉電阻R5(100kΩ)。U1A的第1腳接電阻R8(100kΩ)，R8另一端接1N4148二極管D8的正極，D8的負極接9013三極管Q2的基級；Q2的發射極接地。24V(DC)電壓通過兩個級聯的1N4007二極管D1、D2與TIP42三極管Q1的基極相連，24V(DC)接D1的正極，D1的負極接D2的正極，D2的負極接Q1的基極。D2的負極和電阻R3(10.0Ω)相連，R3的另一端接Q2的集電極。R1是5Ω/2W水泥電阻，R1一端接電壓24V(DC)輸入端，另一端接Q1的集電極。Q1的發射極接10Ω/2W水泥電阻R6，R6另一端接1N5819二極管D10的正極，D10的負極接充電電池P1的正極。

圖3 電池充電電路

24V(DC)電壓接10A02二極管D9的正極，D9的負極為VCC引出端，為直流電壓轉換電路提供電源。D9的負極和10A02二極管D11的負極相連，D11的正極和充電電池P1的正極相連，充電電池的負極接地。

電池充電電路的工作原理是：24V(DC)電壓輸出端接D1、D2是為了降電壓，用于保護Q1基級，由于一個二極管的降壓能力不夠，本電路將兩個二極管串聯，每個二極管降壓值為二極管的導通電壓0.7V。

R5是正反饋上拉電阻，防止LM358的第1腳輸出的驅動能力不夠，用以增加LM358的第1腳輸出電壓。R1和R6電阻功率較大，是為了在給電池充電時進行限流。電阻R2、R4、R12、R14與電阻R12、R13、R17、R18是起分電壓作用的，R12和R14電阻串聯是為了方便調節阻值。

通過二極管D9、D11隔離，電池P1與24V(DC)電壓輸出端隔離，通過這種電路設置，在直接使用連接220V(AC)電源時，由于24V(DC)輸出電壓會略高于電池正極的輸出電壓，因此只有24V(DC)電壓輸出端輸出電流，而電池輸出被D11阻斷，能夠避免和電池混用，防止電池電流回流。這種隔離電池的設計，也能夠避免24V(DC)電壓輸出直充電池。在不使用220V(AC)電源時，電池作為電源供電。

U1A及其外圍電路的作用是等到電池電壓小于6V(DC)時才能給電池充電，否則不充電。R2、R4、R9、R14是分壓電阻，根據分壓原理得到6V(DC)電壓，給U1A的第3腳提供參考電壓；R12、R13、R17、R18也是分壓電阻，根據分壓原理得到5.5V(DC)電壓(實際上由于阻值的精度和實際電壓要高于24V(DC)，因此實際計算值可以近似認為是6V(DC))，給U1A的第2腳提供比較電壓。

當電池電壓小于24V(DC)時，遲滯比較器LM358的第1腳輸出高電平，經過R5增強電壓、R8的保護作用(限流)和D8的隔離后，使Q2導通。D8起到防止反向電壓倒灌運算放大器的作用。Q2導通后，使Q1的基極降低電平，使Q1導通。Q1導通后，24V(DC)電源經過限流電阻R1和R6，在經過D10的保護隔離后，直接加到電池的正極上，這樣就可以給電池充電了。D10是為了防止電池電壓倒灌電源，電池電壓加到Q1的集電極有可能對三極管造成損害。

4 直流電壓轉換電路

圖4所示為直流電壓轉換電路，VCC引出端連接濾波電容C6(1μF)，C6的另一端接地。R21為1Ω電阻，R21一端接VCC端，另一端接S1D二極管D12的正極，D12負極接濾波電容C3(100nF)，C3另一端接地。D12負極連接U2的第2腳(電壓輸入端)，U2是LM25017降壓轉換芯片。U2的第2腳和第4腳(導通時間控制端)通過360kΩ電阻互連。U2的第2腳連接電解電容CE5(100μF/50V)的正極，CE5負極接地。D12負極連接360kΩ電阻R23，R23另一端接U2的第3腳(欠壓比較器的輸入端)和電阻R26(91kΩ)，R26的另一端接地，U2的第1腳(接地端)接地，U2的第7腳(自舉電容器接腳)和第8腳(SW轉換節點)通過10nF電容C2相連，U2的第8腳和100μH電感L1相連，L1另一端和12kΩ電阻R24相連，R24的另一端和U2的第5腳(反饋端)相連。U2的第6腳(內部電路穩壓輸出端)與1μF電容C7相連，C7的另一端接地。U2的第5腳與1.4kΩ電阻R25相連，R25的另一端接地。U2的第5腳與1nF電容C8相連，C8的另一端與L1和R24的連接點相連，該連接點的電壓值為芯片的計算輸出電壓12V(DC)，12V(DC)連接電解電容CE4(100μF/25V)的正極，CE4負極接地。U3為LP2992AIM5-3.3芯片，用于把12V(DC)電壓轉換成3.3V(DC)電壓。U3的第1腳(電壓輸入端)和第3腳(片選端)直接相連并連接L1和R24的連接點，第1腳連接電容C9(100nF)，C9的另一端接地。U3的第2腳(接地端)接地，U3的第4腳(旁路端)連接旁路電容C4(100nF)，C4的另一端接地，第5腳(電壓輸出端)輸出的3.3V(DC)電壓連接電解電容CE3(100μF/25V)的正極和電容C5(100nF)，CE3負極和C5的另一端接地。

U2的輸出電壓Vout的計算式為：

U2的第3腳UVLO是欠壓比較器的輸入端，當總線電壓VBUS

可見，當U2的第3腳輸入的電壓小于6.07V時，芯片U2不工作。

采用降壓穩壓芯片將24V(DC)轉換成12V(DC)和3.3V(DC)，提高了電源的工作效率和穩定性。

5 結束語

具有充電功能的交直流轉換電路在實際應用中實現了交直流電路的轉換，滿足實際需求，解決了電池過充放電和市電不穩定的問題，使用方便，輸入輸出參數滿足性能要求，對其他電器和電網沒有影響。電路中避免使用大功率電阻或高電壓穩壓管，其他元件均為常用件，對耐壓和功率基本沒特殊要求。電路的過電流保護設計，避免了意外短路燒毀原件。電壓轉換電路的串聯線性穩壓，可輸出較大電流。電路結構緊湊，布線簡單，省去了復雜的電路變換，直接采用電阻分壓檢測相比較，功耗較低，而且電壓使用范圍比較寬，工作效率高和穩定性好，特別適用于需要穩壓充電的小型電氣設備上。

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DesignandImplementationofAC/DCConversionCircuitwithChargingFunction

WANG Qiang, LAN Zhi, XING Yang-hui, WANG Li
(NationalResearchCenterforRehabilitationTechnicalAids)

TH89

B

1000-3932(2017)04-0401-06

2016-07-28，

2016-12-30)

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王強(1982-)，助理研究員，主要從事控制理論與控制工程、電工電子技術的研究，yebif@163.com。