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一种36V电动自行车充电器的设计

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一种36V电动自行车充电器的设计一种36V电动自行车充电器的设计 一种36V电动自行车充电器的设计 第11卷,第5期 VoI11. NO. 5 电子与封装 ELECTRONICS&PACKAGING 总第97期 201j年5月 产品,应用与市场 一 种36V电动自行车充电器的设计 张波,曹丰文 (苏州职业大学电子信息工程系,江苏苏州215104) 冰 摘要:电动自行车充电器市场巨大,性价比高的电动车充电器在市场上很有竞争力,因此设计 了一款性能优良的低成本36V电动自行车充电器.该充电器基于电流模式的开关电源的原理设计...
一种36V电动自行车充电器的设计
一种36V电动自行车充电器的设计 一种36V电动自行车充电器的设计 第11卷,第5期 VoI11. NO. 5 电子与封装 ELECTRONICS&PACKAGING 总第97期 201j年5月 产品,应用与市场 一 种36V电动自行车充电器的设计 张波,曹丰文 (苏州职业大学电子信息工程系,江苏苏州215104) 冰 摘要:电动自行车充电器市场巨大,性价比高的电动车充电器在市场上很有竞争力,因此设计 了一款性能优良的低成本36V电动自行车充电器.该充电器基于电流模式的开关电源的原理设计, 主电路采用单端反激式设计,控制电路以电流型集成控制器UC3842为核心,配合LM324,光耦和 TL431实现对蓄电池的充电控制.文章简介了相关芯片,给出了完整的实际设计电路,详细了 其设计及工作原理,这其中包括主电路,控制电路,反馈电路和显示部分的工作原理,并给出了 部分实验结果.实践应用明,该充电器性能优良,适应性较强,比同性能的充电器成本低,很 有市场竞争力. 关键词:反馈控制;集成控制器;电流模式;充电器 中图分类号:TH12;TM502文献标识码:B文章编号:1681-1070(2011)05-0038—04 OneDesignof36VChargerforElectricBicycle ZHANGBo,CAOFeng—wen (ElectronicInformationEngineeringDepartmenLSuzhouVocationalUniversity,Suzhou215104,China) Abstract:Electricbicyclecharger'Smarketishuge,cost— effectivechargerinthemarketisverycompetitive,SO designedalowcost36Vchargerwithexcellentperformance.Thechargerisbasedontheprincipleofcurrent— modeswitchingpowersupply,themaincircuitdesignusessingle— endedflybackandcurrentintegratedcontrol- lerUC3842isthecoreofthecontrol,withtheLM324,optocouplerandTL431forchargecontro1.Thispaper introducedtherelatedchips,gavenotonlytheactualdesignofthecircuitanddetailedanalysisofitsworking principleanddesign,includingthemaincircuit,controlcircuit,feedbackcircuitandthedisplaypart,butalso someexperimentalresults.Practicalapplicationshowsthatthechargerhasexcellentperformanceandadaptability, comparedwithotherchargerswiththesameperformance,lowercost,verycompetitive. Keywords:feedbackcontrol;integratedcontrollers;currentmode;charger 1引言 电动自行车作为一种轻便的交通工具时下已非 常普遍,其普及程度大有超赶自行车的趋势,而充 电器是电动自行车必不可少的配件,电动车充电器 市场巨大.目前市场上的充电器可分为两类:一类 是以UC3842为核心驱动的单管变换器,另一类是以 . 38. TL494为核心驱动的半桥型变换器.本文基于 UC3842设计了一款反激式低成本的36V电动车充 电器. 2主要器件介绍 2.1UC3842介绍 UC3842国产型号为CW3842,UC3842的同类产 收稿日期:2011—03—21 基金项目:苏州市职业大学创新团队基金资助项目(200802) 第11卷第5期张波,曹丰文:一种36V电动自行车充电器的设计 品还有UC1842(军用),UC2842(民用),性能以军 用的UC1842最好,最稳定.UC3842是高性能电流型 PWM集成控制器,电流型控制方式是种固定时间开 启,给定电压信号,反馈电压信号和反馈电流信号 共同决定其关断时刻的控制.该芯片常见的封 装形式有DIP一8和SO,14,有效引脚为8个,SO一14有 部分引脚是空脚,内部结构如图1所示,由欠压封 锁电路,振荡器,误差放大器,电流取样比较器, PWM锁存器,输出电路和基准电压电路等组成,右 边的数字对应SO—l4封装.以DIP一8介绍,1脚是误 差放大器的输出端,和2脚之间外接阻容元件用于 改善误差放大器的性能;2脚是芯片内部分误差放 大器的反向输入端,用作电压反馈输入端,此脚电 压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较, 产生误差电压;3脚为芯片内PWM比较器的反向输 入端,作为电流反馈的输入端,当检测电压超过1V 时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态;4脚为 定时端,内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间 常数决定;5脚为公共地端;6脚为推挽输出端,内 部为图腾柱式,上升,下降时间仅为50ns,驱动能 力为+IA;7脚是直流电源供电端;8脚为5V基准电 压输出端,有50mA的负载能力. UC3842欠压封锁导通门限为16V,关断门限电 压为10V;基准电压部分产生5.0V基准电压,从8脚 输出;振荡器使用时外接电阻R和电容c,使用时 电阻跨接在8脚和4上: fo..=1.72/(R-CT)(1) 电容一端接4脚一端接地,振荡器最高工作频 率可达500KHz,误差放大器的同向输入端在器件内 部接有2.5V+2%基准电压;PWM信号从6脚输出,输 出电路驱动能力较强,可直接驱动N沟道MOS管和 双极晶体管. 图1UC3842内部结构框图 2.2TL43l和LM324简介 TL431是2.5V,36V可调式精密并联稳压器,其 性能优良,价格低廉,能构成电压比较器,电源电 压监视器,延时电路,精密恒流源,外部误差放大 器等.它的一些特性使得它可以在电源,数字电压 表和运放电路等许多场合代替齐纳:极管,其常见 的封装有TO一92型~UDIP.8(实际有效管脚也为3个), 管脚分别为阳极A,阴极K和输出设定端R(基准 端),基准端的电压为2.5V,其典型应用之一如图2 (a)所示.TL431作为外部误差放大器时,与线性光 可构成隔离式反馈电路,在开关电源中较多见. K 巨丰A .土 (a)TL431典型应用 一 39— 第11卷第5期电子与封装 (b)LM324管脚功能图 图2TL431和LM324 LM324常见的为DIP一14封装,内部集成四个相 互独立的带有差动输入的高增益运算放大器,可单 电源供电,也可双电源供电,其管脚功能如如图2 . (b)所示 3基于UC3842的36V充电器分析与设计 3.1主体部分分析与设计 电路主体部分如图3所示.主电路为单端反激 式DC/DC变换器. 单端反激式是输入与输出隔离的DC/DC变换器 中的一种.所谓单端是指变压器仅有单一方向的磁 通,反激是指开关管导通时变压器原边仅作为电感 储存能量,能量是在开关管断开时传递负载的.输 入的直流电压:由市电经二极管桥式整流加电容滤 波得到.主电路主要由功率开关管Q1,高频变压器 T1,高频整流二极管Dl,D2,D3,滤波电容,, 组成.其中开关管Q1为型号为P7NA60的场效应 管,变压器有三个副边,,及,对应着三路输 出,这里均把其看作主电路的部分,,这路输出为 主输出,给蓄电池充电,L这路输出主要给UC3842 及光耦供电,这路给后面状态指示电路部分供电 及作为其相应的输入.因为副边,和三,匝数成比例, 两路输出电压成比例,故这路可做为反馈信号. 二极管D4为普通整流二极管,有利于对蓄电池充 电;主要是为了避免单端反激式工作在空载状 态. 图3主体部分电路 控制部分以UC3842为核心构成.次级绕组L4 的输出经D2整流和c滤波后加在7脚给芯片供电. 刚要启动时变压器次级线圈无电压输出,故经R 分压后加在7脚给芯片供电,正常工作时由L4的这 一 路供电;电阻,跨接在基准电压端8脚和定时端 4脚,电容C,接4脚和地,这是振电路外部分固定 的接法,电阻,和电容C决定振荡器的工作频率, 也就决定了UC3842输出的PWM信号频率;光耦 .. 40.. PC817输出经尺.送至2脚,为电压反馈信号,2脚 为芯片内部误差放大器的反向输入端;芯片1脚和 2脚之间连接的和c,起到改善误差放大器性能的 增益和频率特性的作用;变压器原边,.,开关管Ql, 和,中的电流相同,故.为电流取样电阻,其 接至电流检测比较器的输入端3脚;内部误差放大 器的反向输入端2脚为电压反馈信号,误差放大器 同向输入端在芯片得到的基准电压信号,经误差放 第l1卷第5期张波,曹丰文:一种36V电动自行车充电器的设计 大器后得误差放大信号,而误差放大信号送到芯片 内部电流检测比较器的输入端,电流检测比较器的 ,3脚接电流反馈信号,这就 另一输入端就是3脚 构成了双闭环系统,电流反馈是内环.PWM信号 输出端6脚有较强的驱动能力,在这里经直接驱 动开关管Q1. 反馈部分主要由可调精密并联稳压器TL431和 线性光耦PC817构成.输出电压经R.和尺, 分压后加至TL431的1脚,有波动时TL431的1脚 的输入也会相应变化,与TL43l中的2.50V带隙基准 电压进行比较后在阴极上会形成误差电压,使光耦 中LED的电流也发生相应变化,再通过光耦使 UC3842的2脚上得到的电压反馈信号发生相应的变 化,从而改变UC3842的6脚上输出的PWM的占空 比,控制输出达到要求. 负载为蓄电池,所以被钳制的电压和蓄电池 电压相同,而刚开始充电时蓄电池电压较低,通过 反馈必然会增加DC/DC变换器的输出,从而使充电 电流较大,为了限制该电流,增加了.和D这一 路反馈信号.变换器输出增加时,三这一路输出也 增加,经R和D加在TL431的1脚的电压也增加, 从而限制变换器输出的增加,也就限制了最大充电 电流. 3.2状态指示部分分析与设计 状态指示部分电路如图4,以LM324为核心构 成.状态指示电路的主要作用是显示电源是否接通, 充电是否结束.图3和图4都是充电器电路的一部 分,图4中的A,B,C三点分别和图3中的A,B, c三点相连.充电器接上交流电源后,c点上就有电 压,一方面加在4脚给LM324供电,另一方面通过 ,让电源指示LED灯D1亮.D3和D4为一双色LED 指示灯.刚开始充电时,经和,分压后输入给 5脚的电压大于其6脚得到的电压,7脚输出高电位, 经,.使D3红灯亮,同时经,送至2脚使2脚电压 高于3脚得到的电压,1脚输出低电位,绿灯D4不 亮;充好电时蓄电池上电压相对较高,5脚的电压大 于其6脚电压,7脚输出低电平,红灯D3不亮,同 时绿灯D4亮. 3.3部分测试结果 该充电器空载时输出电压为42.1V,开关管工作 频率为39kHz,效率可达84%,充电时变压器原边的 电压波形如图5所示. 4总结 图4状态指示部分电路 图5充电变压器原边电压波形 该充电器由基于电流型集成控制器UC3842的 单管变换器配合LM324构成,结构合理,控制方式 较新颖,有很大的成本优势,能更好地适应市场.测 试和实践应用表明该充电器性能优良稳定.本文设 计电路时所用的设计思路和控制方式对开关电源的 设计具有一定参考价值. 参考文献: f1】张波.基于TL494的直流变换器[J1.电子与封装,2010, l0(12):23—26. f2】侯振义.直流开关电源技术及应用[M]匕京:电子工业出 版社,2007. f3】陈德康.脉宽调制器UC3842在开关电源中的应用[J].西 南科技大学,2005,20(2):27—30. f4]张波.基于UC3842集成控制器的电流模式开关电源设计 [J】.电工电气,2010,12(9):25—27,48. 震作者简介:张波(1979),男,硕土,讲师,工程师,主要研究方向为电力电子技术.. 41.
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