小功率充电器的设计

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作者：姚化民时间：2005-11-12 来源：

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　　摘要：介绍一种用于手机和电动自行车的自动充电器电路。它省去了复杂的IC电路及其外围电路，同样可以完成对蓄电池进行自动充电的功能。关键词：蓄电池；自动充电器；单端反激；变换器 Design of Low-power Charger YAO Hua-min 　　

　　Abstract:A kind of the automatic charger for use in the mobile telephone and the electric bike is introduced.Though it has saved the complicated IC as well as auxiliary circuit,it can still carry out the automatic charging function. Keywords:Battery;Antomaticcharger; Single　endedreverse;Converter 中图分类号：TN86 文献标识码：B 文章编号：0219－2713(2002)3－0084－04 为了使手机、电动自行车等所使用的充电器实现自动充电的功能，大都采用各种各样的专用IC充电器集成电路和各种采样电路。本文介绍一种既能省去复杂的IC电路及其外围电路，又能够实现自动充电功能的电路。 1 工作原理图1中C1、V1～V4、C2组成滤波整流电路，变压器T为高频变压器，V5、R2、C11组成功率开关管V7的保护电路，NF为供给IC电源的绕组。单端输出IC为UC3842，其8脚输出5V基准电压，2脚为反相输入，1脚为放大器输出，4脚为振荡电容C9、电阻R7输入端，5脚为接地端，3脚为过流保护端，6脚为调宽单脉冲输出端，7脚为电源输入端。R6、C7组成负反馈，IC启动瞬间由R1供给启动电压，电路启动后由NF产生电势经V6、C4、C5整流滤波后供给IC工作电压。R12为过流保护取样电阻，V8、C3组成反激整流滤波输出电路。R13为内负载，V9～V12及R14～R19组成发光管显示电路。图1中V5、V6选用FR107，V8选用FR154，V7选用K792

图1：电路原理图对变换环节作如下介绍：

　　从图1中可知，当V7导通时，整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中，在V7导通结束时，Np绕组中电流达到最大值Ipmax： Ipmax=(E/Lp）ton （1）式中：E——整流电压； Lp——变压器初级绕组电感； ton——V7导通时间。在V7关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax，若忽略各种损耗应为： Ismax=nIpmax=n(E/Lp)ton (2) 式中：n——变压器变比，n=Np/Ns，Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。高频变压器在V7导通期间初级绕组储存能量与V7关闭期间次级绕组释放能量应相等： n(E/Lp)ton=(Uo/Ls)toff 式中：Ls——变压器次级绕组电感； Uo——输出电压； toff——V7关闭时间。因为Lp=n2Ls，则： (E/nLs)ton=(Uo/Ls)toff Uo=(ton/ntoff)E (3) 上式说明输出电压Uo与ton成正比，与匝比n及toff成反比。变压器在导通期间储存的能量WLp为： WLp=(1/2)LpI2pmax （4）变压器Lp愈大储能愈多。变压器储存的能量能否在toff期间释放完，不仅与变压器的工作频率f有关，而且与次级绕组电感量L有关，更与负载的大小有关。储能释放时间常数τ和V7关闭时间toff之间的差异形成变换器三种工作状态，下面分开介绍： 1）toff=τ这种状态为临界状态，各参数波形如图2所示。

图1 toff=τ的波形图

　　图2中ub为Vp的控制电压波形；up为变压器初级Np电势波形；φ为变压器磁通变化波形；uces为V7集电极电压波形；ip、is为初、次级电流波形。 2）toff>τ各参数波形如图3所示。从图3中可以看出磁通　复位时V7关闭还持续一段时间，ip呈线性上升，is线性下降。

图3 toff >τ的波形图

　　变压器储存的能量等于电路输出能量。（1/2)LpI2pmaxf=Uo2/RL Uo2=(1/2)LpI2pmaxRLf 将Ipmax=(E/Lp)ton代入上式，则式中：RL——电路负载电阻； T=1/f——变压器工作周期式（5）中E、ton、T、Lp为定值，所以输出电压Uo随负载电阻RL的大小而变化，若忽略整流器件压则输出电压最大值应为： Uomax=(1/n)Up=(1/n)E （6） V7承受的反压应为： Ucc=E＋Up=E＋nUo （7） 3）toff<τ 各参数波形如图4所示。从图4中可以看出磁通　在toff期间不能复位，ip也不是从0开始线性增加，is下降不到0，这种工作状态输出电压Uo应满足如下关系： Eton=(Np/Ns)Uot Uo=(ton/toff)(Ns/Np)E

图4 toff <τ 的波形图
　　上式说明在Lp较大的情况下，Uo只决定于变压器匝数、导通截止脉宽和电源电压E，而与负载电阻 RL无关。上述三种工作状态中，第二种工作状态输出电压Uo随负载电阻大小而变化，我们正好利用这个特点，满足充电器的充电特性。从电路中可知，电路的负载电阻RL实际上是被充电电池的等效内阻，当电池电量放空时，等效内阻RL很小，随着充电量增大，其等效内阻升高，而电路输出电压Uo就是充电电压，其变化是随RL增大而升高，所以有如图5所示的充电特性曲线。从图5可以看出充电电流是随着RL增大而下降。io=uo/RL 充电电压uo、充电电流io都是随RL而变化，RL的变化曲线是电池的充电特性决定的，所以用单端反激电路作成的充电器其充电电压、电流有很好的跟随性。

图5 充电特性曲线

　　当电池充满后，RL也就大到一定限度，充电电压也就进入饱和状态，充电电流自动进入浮充状态。这样便大大简化了自动充电的控制电路。与相同性能的其它充电器电路相比，成本大大降低，可靠性大大提高。 2 电路设计计算为了简便，现只介绍单端反激变换电路中变压器的设计及主要元器件的选用方法。 2.1 高频变压器的设计变压器是变换器的主要部件，其设计内容主要是磁芯选定，绕组匝数和导线直径的选定。 1）变压器主要参数计算公式输出功率Po=UoIo 输入功率PI=Po/η 占空比D=ton/T 变压器效率η=Po/PI 负载电阻RL=Uo/Io 变压器输入电流最大值Ipmax=2Uo2/DηEminRL 变压器输入电流有效值Ipeff=Dip 变压器工作频率f的确定： f高虽然体积、重量可减小，但V7开关损耗增大，f低则变压器体积变大重量加大，综合考虑，一般选f=50kHz左右。 2）磁芯尺寸选取因电路为单端反激电路，所以励磁电流是单方向的，变压器磁芯中产生的磁通只沿着磁滞回线在第一象限上下移动，如图6所示。