閥控鉛酸電池開關(guān)型充電控制器

1、閥控鉛酸電池開關(guān)型充電控制器UC3909及其應(yīng)用曾李電子設(shè)計(jì)室 李益宏 曾小林摘要:UC3909 閥控鉛酸電池開關(guān)型充電控制器主要用于鉛酸電池快速充電器。在通信、電力、交通和UPS 中, 閥控鉛酸電池的容量很大, UC3909在UC3906的基礎(chǔ)上,增加了PWM 控制器,因此可以很方便地制成開關(guān)型充電器。本文詳細(xì)介紹了UC3909 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部電路的設(shè)計(jì)方法,還給出了一套軟件用以輔助設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞: 動(dòng)力電池 開關(guān)型控制器 充電管理 分段充電 設(shè)計(jì)軟件1   引言 在2006年10月，應(yīng)合作公司要求研發(fā)一款大功率動(dòng)力電池充電器。在多方面的權(quán)衡之后，在不使用MCU

2、（單片機(jī)）等的情況下，于是采用UC3909充電控制芯片研發(fā)研發(fā)此款產(chǎn)品，由于此芯片的特殊性，加上同事們希望我能作深入解剖和分析，以消化吸收其先進(jìn)技術(shù)的情況下。故寫下此文章。 2. 芯片概述利用UC3909 充電控制器, 可以組成開關(guān)型鉛酸電池快速充電器。該芯片中的平均電流型PWM 控制電路, 可產(chǎn)生充電狀態(tài)邏輯電平。充電狀態(tài)邏輯電平根據(jù)充電狀態(tài)控制充電器的輸出電壓和電流。該芯片中的欠壓封鎖電路, 保證加入足夠的電源電壓。此外該芯片中還含有差動(dòng)電流取樣放大器、精度為1 %的基準(zhǔn)電壓, - 3. 9mV/ 熱敏電阻線性化電路、電壓和電流誤差放大器、PWM 振蕩器、PWM 比較器、PWM 鎖存器、充

3、電狀態(tài)譯碼器和一個(gè)100mA 的集電極開路輸出驅(qū)動(dòng)器。芯片封裝見圖1 所示內(nèi)部框圖如圖2 所示。該芯片的極限參數(shù)如下: a 電源電壓VCC :40V ; b OUT 、STAT0、STAT1 腳電壓:40V ;c 輸出灌電流:0. 1A ; d CS +和CS - 腳電壓:0. 4VVCC ;e 其它腳電壓:0. 39V ;f 存儲(chǔ)溫度: - 65150 ;g 結(jié)溫: - 55150 ;圖1 UC3909 引腳排列h 焊接溫度(焊接時(shí)間10s) :300 。 圖2 UC3909 內(nèi)部電路3. 芯片管腳功能描述UC3909 管腳排列如圖1 所示, 各管腳功能如下:1腳(RTHM) : 該腳與接地

4、腳之間應(yīng)接入檢測(cè)電池溫度的10k熱敏電阻。在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi), 熱敏電阻的阻值按指數(shù)規(guī)律變化。為了正確取樣電池溫度, 熱敏電阻阻值的變化將使內(nèi)部2.3V 基準(zhǔn)電壓按- 3. 9mV/ 變化。2 腳(VLO GIC) : 精密基準(zhǔn)電壓, 其值為5V ±1 %。該腳與接地腳之間應(yīng)接入0. 1F 電容。3 腳( GND) :接地腳,該腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和所有門限電壓的基準(zhǔn)點(diǎn)。集電極開路輸出晶體管的發(fā)射極接到該腳。4 腳(VCC ) : 該芯片的電源電壓輸入腳。芯片工作電壓范圍為7. 540V 。該腳與3 腳之間應(yīng)接入1F 旁路電容。5 腳(OU T) : PWM 驅(qū)動(dòng)器輸出腳。集電極開路輸

5、出晶體管的灌電流為100mA 。6 腳(STAT1) :晶體管開路集電極輸出端,它是充電狀態(tài)的第二譯碼位。充電狀態(tài)與STAT0 和STAT1 的關(guān)系如表1 所列。充電狀態(tài)STAT0STAT1涓流充電00大電流充電01浮充充電11過充電10 表1 充電狀態(tài)譯碼表7 腳(STAT0) : 晶體管開路集電極輸出端。對(duì)于邏輯電平0 來說, 該腳輸出電壓為0. 27V ，該輸出端是充電狀態(tài)的第一譯碼位。8 腳(STATLV) :充電器在浮充狀態(tài)下,該位為高電平。9 腳(OVCTAP) : 過充電電流檢測(cè)比較器輸入腳。在過充電狀態(tài)下, 當(dāng)輸出電流逐漸減小到 浮充門限值時(shí),該比較器輸出控制信號(hào)。10 腳(C

6、HGENB) :充電器起動(dòng)比較器輸入端。當(dāng)電池電壓較低時(shí), 該比較器使充電器進(jìn)入涓流充電狀態(tài),電壓誤差放大器輸出高阻抗,10A 固定電流流入CA - 腳, 以設(shè)定涓流充電電流。11 腳(VAO) :電壓誤差放大器輸出端。該放大器輸出電壓箝位在5V 。12 腳(VA- ) :電壓誤差放大器的反相輸入端。13 腳(CA - ) : 電流誤差放大器反相輸入端。14 腳(CAO) :電流誤差放大器輸出端。在芯片內(nèi)部, 該腳電壓箝位在4V , 在芯片內(nèi)部該腳與PWM 比較器反相輸入端相連。15 腳(CSO) : 電流取樣放大器的輸出端,該腳輸出電壓在內(nèi)部被箝拉在5. 7V 。16、17 腳(CS +和C

7、S - ) : 電流取樣放大器的的反相和同相輸入端。電流取樣放大器的固定增益為5。18 腳(RSET) : 該腳與接地腳之間應(yīng)接入一只電阻, 以便設(shè)置振蕩器的充電電流和振蕩器涓流控制電流。振蕩器充電電流約為1. 75/ RS ET ,振蕩器涓流控制電流約為0. 115/ RS ET 。19 腳(OSC) : 振蕩器斜坡電壓控制腳, 在該腳與3 腳之間應(yīng)接入一只電容器CT , 振蕩器斜坡電壓應(yīng)在1. 0V 到3V 之間變化,振蕩器振蕩頻率可由下式計(jì)算:f =1 / 1. 2CTRS ET20 腳(R10) : 該腳與3 腳之間應(yīng)接入一只10k 電阻, 以便產(chǎn)生修正熱敏電阻溫度所需的電壓差。4.

8、開關(guān)型快速充電器原理與設(shè)計(jì)采用UC3909 的鉛酸電池開關(guān)型快速充電器，實(shí)際電路如圖3 所示。虛線框圖內(nèi)為UC3909。該充電器輸入直流電壓范圍為1240V。UC3909 采用具有平均電流限制的電壓控制回路, 精確地控制鉛酸電池的充電速率。雖然平均電流限制電路較復(fù)雜些, 但是控制回路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。4. 1 控制回路原理(1) 電流取樣放大器(CS)電流取樣放大器的固定增益為5 , 補(bǔ)償電壓為2. 3V , 它的作用是檢測(cè)取樣電阻RS 兩端的電壓。該電壓與電池充電電流成正比。取樣電壓的正端接到電流取樣放大器的反相輸入端, 以保證極性正確的電壓加到PWM 比較器。當(dāng)電池沒有充電電流時(shí), 電流取樣

9、放大器的輸出端(CSO) 電壓為2. 3V 。電流取樣電阻RS 的阻值應(yīng)等于350mV除以最大允許充電電流。為了減小功耗, RS 應(yīng)取較小的阻值。最大充電電流IBUL K 由已知的電壓誤差放大器最高輸出電壓( VO H = 5V) 、取樣電阻RS兩端允許的最大壓降V RS 和電阻RG1 和RG2的阻值決定。RG1/RG2= 5*V RS / (V L OGIC - V CA - ) = 5*V RS / 5 - 2. 3 = 1. 852I BUL KR S為了避免電流取樣放大器輸出飽和, 必須限制電池取樣放大器輸出端(CSO) 電壓的最大幅值。因此電流取樣電阻RS 兩端最高壓降必須限制在2V

10、 以內(nèi)。無充電電流時(shí), 電流取樣放大器輸出端電壓VCSO = 2. 3V ;最大充電電流時(shí), 電流取樣放大器輸出端最高電壓VMA X (CSO) = 2. 3V - 2. 0V = 0. 3V(2) 電壓誤差放大器(VEA)電壓誤差放大器(VEA) 檢測(cè)電池電壓,并把它與熱敏電阻引起的基準(zhǔn)電壓2. 3V -3. 9mV/ 進(jìn)行比較。電壓誤差放大器輸出電壓轉(zhuǎn)換為電流控制信號(hào), 與電流取樣放大器輸出信號(hào)相加。電壓誤差放大器(VEA) 最高輸出電壓限制在5V ,這樣可限制最大負(fù)載電流。在涓流充電狀態(tài)下, 充電開始時(shí)比較器使電壓誤差放大器輸出開路(高阻抗輸出) 。此時(shí), 涓流偏置電流與電流誤差放大器C

11、A 的反相輸入端(CA - ) 的電流相加,設(shè)定最大涓流充電電流。在涓流充電狀態(tài)下, 最大允許充電電流( ITC ) 由下式?jīng)Q定:I TC = I TRC K*R G1 / 5*RS式中IT RCK 為流入電流誤差放大器反相輸出端CA - 的固定控制電流。當(dāng)RSET 腳外接電阻為11. 5k 時(shí), IT RCK 為10A 。(3) 電流誤差放大器(CA)電流取樣放大器(CS) 與電壓誤差放大器(VEA) 的輸出信號(hào)通過電流誤差放大器(CA)比較。電流誤差放大器(CA) 的輸出信號(hào)改變PWM 占空比,從而調(diào)整平均充電電流。接有積分補(bǔ)償時(shí),電流誤差放大器(CA) 具有非常高的電流增益。為了提高放大

12、器的穩(wěn)定性, 電流誤差放大器(CA) 的高頻增益必須按以下原則設(shè)計(jì),即電流誤差放大器(CA) 輸出信號(hào)下降斜率應(yīng)低于或等于PWM 斜坡上升斜率。4. 2 充電器設(shè)計(jì)(1) 選擇RS 1 、RS 2 、RS 3和RS 4基本計(jì)算公式如下:V OC = V R EF × （R S 1 + RS 2 + R S 3 R S 4）/ （ RS 3 R S 4）V T = V R EF × （RS 1 + R S 2 + R S 3 R S 4）/（R S 2 + R S 3 R S 4）V F = V R EF × （R S 1 + RS 2 + R S 3） / RS

13、3R P = R S 3 R S 412V/ 12Ah 電池充電器計(jì)算實(shí)例12V 鉛酸電池由六個(gè)單體電池組成,已知單體電池VOC = 2. 5V , V T = 1. 7V , VF = 2. 33V ,因此該電池組的幾個(gè)基本電壓參數(shù)為:VOC = 2. 5V ×6 = 15VV T = 1. 7V ×6 = 10. 2VV F = 2. 33V ×6 = 14V為了便于計(jì)算,設(shè)RS 3與RS 4的并聯(lián)電阻值 RF = 50k , 將RF = 50k 代入VOC 表達(dá)式中可得:由該式可得出:15V = 2. 3V × （R S 1 + RS 2 + 50

14、k） / 50k由該式可得出: RS 1 + RS 2 = 276k將已知數(shù)值代入V T 表達(dá)式中,可得:10. 2V = 2. 3 × （276k+ 50k）/ （R S 2 + 50k）由該式可得出:RS 2 = 23. 7k24k因此, RS 1 = 276k - 24k = 252k將已知數(shù)值代入V F 表達(dá)式中,可得:14V = 2. 3V ×（276k+ RS 3）/ R S 3由該式可得出:RS 3 = 54k56k已知: RF = 50k、RS 3 = 56k因此RS 4 = 466k470k(2) 選擇RG1和RG2基本計(jì)算公式如下:I TC = T TR

15、C K*R G1 / 5*RSI TRC K = 0.115V / R SR G1 / R G2 = 1. 852*I BUL KR S12V/ 10Ah 電池充電器設(shè)計(jì)實(shí)例已知RSET 腳外接電阻為11. 5k , 取樣電阻RS = 0. 1 , 根據(jù)I T RCK = 0. 115V/ 0. 1 = 10A假設(shè)允許的涓流充電電流I TC = 0. 004 * C = 40mA ;快速充電電流IBUL K = C / 5 = 2A 。將已知數(shù)值代入ITC表達(dá)式中,可得:0. 04A = (10A*R G1) /( 0. 1 *5)由此式可得出: RG1 = 2k將已知數(shù)值代入下式:RG1 /

16、RG2 = 1. 852 *I BUL K *R S可以得出:RG2 = 5. 4k5. 6k(3) 選擇ROV C1和ROV C2基本計(jì)算公式為:ROV C1 = 1. 8518 *IOCT *RS *ROVC2設(shè)計(jì)實(shí)例假定過充電終止電流為C/ 50 = 200mA ,RS = 0. 1可得出:RG1 / RG2 = 0.037若選擇ROV C1 = 5k 則:ROV C2 = ROV C1 / 0. 037 = 135k130k5 設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用及調(diào)試注意事項(xiàng)。51設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用鑒于該芯片在設(shè)計(jì)方面的巧妙性，一環(huán)扣一環(huán)，特別是在設(shè)計(jì)涓流充電電流、快速充電電流、分段式充電電壓控制、過充電終止電流等部分時(shí)，要經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算，且計(jì)算過程較為復(fù)雜，所涉及的量較多，易引起錯(cuò)誤結(jié)