一種利用單片機控制的開關型智能穩(wěn)壓電源

1、. . . . 摘 要目前在軍事通信裝備所配發(fā)的穩(wěn)壓電源技術比較落后，而新型的開關式穩(wěn)壓電源功能比較單一。論文設計開發(fā)出一種利用單片機控制的開關型智能穩(wěn)壓電源，設計包括了開關電源部分、電池充放電部分與單片機控制部分。 開關電源部分:采用半橋式硬開關和脈沖寬度調制(PWM)技術，對其核心器件等主要參數進行了理論計算，在設計中利用屏蔽變壓器、采用吸收電路以與合理布局等方法去減小和防止電磁干擾。 電池充放電部分:利用改變PWM輸出脈寬使電源的輸出電壓大小變化，調整輸出電流的大小;充電脈沖的產生則是通過控制PWM的輸出有無，使得電源的輸出表現(xiàn)為脈沖式輸出的形式，實現(xiàn)了對電池組的脈沖充電，利用脈沖式放電

2、也解決了功率和體積比較大的放電電阻問題。 以PIC16F877單片機為系統(tǒng)的主控核心，對電源的穩(wěn)壓輸出進行監(jiān)測并告警、對電池是否充滿進行判斷，實現(xiàn)了智能化控制。關鍵詞: 智能充電，穩(wěn)壓電源，單片機，設計39 / 48AbstractMilitary communications equipment currently issued by the regulated power supply with backward technology, and new switching power supply capabilities relatively simple. We design deve

3、loped by a smart microprocessor controlled switching power supply, switching power supply design including some of the battery charge and discharge control section part and MCU.Switching power supply parts: semi-bridge hard-switching and pulse width modulation (PWM) technology, its core components a

4、nd other main parameters of the theoretical calculations, the use of shielded transformer in the design, use of absorption circuit, and the rational distribution of such methods to reduce and to prevent electromagnectic interference.Battery charging and discharging components: use to change the PWM

5、output pulse width to the size of the output voltage power supply changes, adjust the size of the output current; charge pulse is generated by controlling the PWM output with or without, making the performance of the power output of the form for the pulse output to realize the pulse charging the bat

6、tery pack using the pulse discharge power and volume also addresses the larger issue of discharge resistors. PIC16F877 microcontroller for the system to master the core, the output of the power of regulators to monitor and alarm, the battery is full to judge, to achieve intelligent control. KeyWords

7、：Intelligent Charging，Regulated PowerSupply，MCU (Micro Controller Unit) ，Design目 錄摘要IAbstractII緒論1第一章穩(wěn)壓電源21.1直流穩(wěn)壓電源21.1.1線性穩(wěn)壓電源21.1.2開關穩(wěn)壓電源31.2開關電源31.2.1開關電源原理31.2.2半橋式開關電源原理51.2.3 PWM控制器SG1525A7第二章電池的充電原理92.1可充電電池92.2電池的充電方法102.3電池的充滿檢測11第三章可充電穩(wěn)壓電源總體方案設計123.1電源的技術指標和功能要求123.1.1功能要求123.1.2技術指標123.2電

8、源的硬件方案設計133.2.1開關電源電路143.2.2單片機控制電路143.2.3充放電控制電路153.3電源的充放電控制方案設計15第四章可充電穩(wěn)壓電源的硬件設計174.1開關電源電路設計174.1.1半橋式電路設計174.1.2主要器件參數設計184.2單片機控制電路設計224.2.1單片機PIC16F877芯片224.2.2主控制電路設計234.3充放電控制電路設計254.3.1充電電路設計254.3.2放電電路設計264.4防電磁干擾措施274.4.1電磁干擾問題274.4.2電源采用的防電磁干擾(EMI)方法27第五章可充電穩(wěn)壓電源的軟件設計305.1軟件主流程305.2 A/D轉

9、換子程序315.3電源使用的充電控制設計315.3.1鎘鎳(NiCd)/氫鎳(NiH)電池的充滿檢測方法325.4穩(wěn)壓輸出、浮充子程序32結論34參考文獻35致36附錄A（電源系統(tǒng)結構框圖）37附錄B（可充電穩(wěn)壓電源原理圖）38緒 論 隨著未來戰(zhàn)爭向小規(guī)模、數字化發(fā)展的趨勢和滿足軍事行動中的機動性和快速反應能力的需求，通信裝備也正積極加快隨之發(fā)展。然而，目前配備給通信裝備的配套電源仍然比較落后，存在著許多技術上的不足：(1)使用復雜、使用前要手動調整電流、電壓，充電過程中要有人隨時看護。 (2)檢測方式單一，可靠性差。存在對電池過充電、欠充電使容量下降等問題，嚴重影響電池壽命。 (3)對可充電

10、電池操作類型單一、通用性差。 (4)體積大，笨重，而且效率低，不適應現(xiàn)代化裝備要求。 (5)不能消除鎳電池的“一記憶”特性，使電池使用效率降低。 (6)充電時間長，不能滿足軍事行動中應急使用。 目前，國外在充電電源的研究方面主要朝著智能化、集成化和高頻化等幾個方面發(fā)展1。世界各國都在研究智能化決速充電技術，目前己經研制出了許多專用的電池充電模塊，但能夠買到的幾乎都是小電流的民用產品，大電流軍品級的還需要自己開發(fā)。為了滿足軍事行動中的需要，保障通信的可靠性，急需開發(fā)一種智能充電穩(wěn)壓電源能為通信裝備提供12V和24V穩(wěn)定電壓;能對各種電池組進行快速充電;并且要求體積小、重量輕;能提供各種保護功能;

11、解決由于過、欠充電而帶來的電池壽命短的問題；同時也要滿足電網適應能力強、三防和振動等軍用標準的要求。第一章 穩(wěn)壓電源 本章主要討論了穩(wěn)壓電源以與開關電源的原理，對電源中用到的脈沖寬度調制(PWM)芯片SG1525A進行了介紹。1.1直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源是能為負載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子裝置。對一個理想的直流穩(wěn)壓電源來說，應具有下述特點： (1)在直流和所有頻率下，輸出阻抗為零； (2)在交流電源電壓很寬的圍，并在供電電路所要求的負載電流圍，調整率為零；(直流電壓輸出恒定) (3)功耗為零； (4)電網電壓和負載電流變化時，輸出電壓能立即恢復穩(wěn)定； (5)當過載電流消除時，過載保護裝置能

12、自動恢復到正常工作狀態(tài)2。 直流穩(wěn)壓電源包括線性控制型和開關控制型兩種方式。1.1.1線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源是調整元件工作在放大區(qū)域，是一個由電子元器件組成的線性反饋系統(tǒng)，通過改變調整元器件的控制信號強弱來調節(jié)其等效電阻大小，從而穩(wěn)定輸出的電壓或者電流。它發(fā)展得最早，目前它的功率調整元件、放大元件、基準穩(wěn)壓管和整流元件都是半導體元件。它的主要優(yōu)點是3： (1)工作在線性放大狀態(tài)，因而具有瞬態(tài)反應迅速，電壓穩(wěn)定度和負載穩(wěn)定度高，輸出紋波電壓小、射頻干擾?。?(2)電路結構簡單，其中控制電路所用的元件數量少。對調整管的開關特性濾波器的高頻性能等無特別要求。所以設計、生產、維修都比較容易，一般成本

13、亦比較低； (3)可靠性高。 其缺點是效率低、笨重、體積較大，所以只適用于中、小功率和對電性能指標要求比較高的場合。但由于線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點突出，所以盡管開關電源發(fā)展迅速，它仍將繼續(xù)發(fā)展，特別適用于一些功率小、電性能技術指標要求高的場合，目前主要朝高效率、高集成度方面發(fā)展。1.1.2開關穩(wěn)壓電源開關穩(wěn)壓電源是調整元件工作在開關狀態(tài)，通過改變開關管的導通時間來得到穩(wěn)定的電壓輸出。它的主要優(yōu)點是：(1)體積小且重量輕 由于它不需要通常笨重的工頻電源變壓器，而只用一只體積小、重量輕的高頻變壓器。調整管散熱器亦比較小。因此，整個電源的體積和重量比線性穩(wěn)壓電源小得多，一般只有線性穩(wěn)壓電源的2030%。

14、(2)效率高 它的功率晶體管在高壓開關狀態(tài)下工作，功耗小，因此效率很高，一般在60%以上，而線性電源一般只有3040%。 (3)適應性好 能適應電網變化圍大，而線性穩(wěn)壓電源的工頻電源變壓器對頻率變化敏感，電網電壓的變化將導致調整管上壓差的變化，可能造成壓差太小或太大而不能正常工作。 其缺點是電路復雜、輸出的紋波電壓和射頻干擾比較大、瞬態(tài)響應較差等。隨著半導體和磁性元器件的發(fā)展，開關式穩(wěn)壓電源正朝著高頻化、高可靠性、低耗、模塊化、減低紋波電壓和射頻干擾、以與尋求新的最佳變換拓撲等來提高開關電源性能的方向發(fā)展，并逐步取代傳統(tǒng)的線性電源。1.2開關電源凡用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態(tài)轉變成

15、另一形態(tài)的主電路叫開關變換器電路;轉變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)則稱開關電源4。1.2.1開關電源原理 和線性電源相比，線性電源的調整管工作在放大狀態(tài)，因而發(fā)熱量大，效率低(35%左右)，需要加體積龐大的散熱片，而且還需要同樣也是大體積的工頻變壓器，當要制作多組電壓輸出時變壓器會更龐大。而開關電源的調整管工作在飽和與截至狀態(tài)，因而發(fā)熱量小，效率高，而且省掉了大體積的變壓器。 開關電源按輸入的電壓方式分可分為AC/DC和DC/DC兩大類，AC/DC變換是將交流變換為直流;DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓。 按隔離方式又可分為隔離和非隔離兩種，隔離型的必定有開關變壓器

16、，而非隔離的未必一定有5。 在本設計中，由于功率不大，同時要求體積要小、成本要低，并且考慮到變壓器制作以與以后加大功率等方面的因素，所以采用了半橋式開關電源。 開關電源的工作原理如圖1.1所示。 開關電源就是通過電路控制開關管進行高速的導通與截止，將直流電轉化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產生所需要的一組或多組電壓。由高壓直流到低壓多路直流的電路稱DC/DC變換，是開關電源的核心技術。 簡單地說，開關電源的工作原理是：(1)交流電源輸入經濾波整流成直流電壓；(2)通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管，將直流電壓加到開關變壓器初級；(3)開關變壓器次級感應出高頻電壓，經整流濾

17、波供給負載；(4)輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達到穩(wěn)定輸出的目的6。開關電源中，開關器件開關狀態(tài)的控制方式主要有占空比控制和幅度控制兩大類。(1)幅度控制方式:即通過改變開關的輸入電壓Ui的幅值而控制輸出電壓Uo大小的控制方式，但要配以滑動調節(jié)器； (2)占空比控制方式:占空比控制又包括脈沖寬度控制和脈沖頻率控制兩大類。脈沖頻率控制:脈沖頻率控制是指開關控制電壓Ui的脈沖寬度(即Ton)不變的情況下，通過改變開關工作頻率(改變單位時間的脈沖數，即改變T)而達到控制輸出電壓Uo大小的一種方式，又稱脈沖頻率調制(PFM)控制。脈沖寬度控制:脈沖寬度控制是指開關工作頻率

18、(即開關周期T)固定的情況下直接通過改變導通時間(Ton)來控制輸出電壓Uo大小的一種方式。因為改變開關導通時間Ton就是改變開關控制電壓Uc的脈沖寬度，因此又稱脈沖寬度調制(PWM)控制。如圖1.1所示。圖1.1 開關電源的原理框圖PWM控制方式的優(yōu)點是：因為采用了固定的開關頻率，因此，設計濾波電路時就簡單方便;其缺點是，受功率開關管最小導通時間的限制，對輸出電壓不能作寬圍的調節(jié)，此外，為防止空載時輸出電壓升高，輸出端要接假負載。 目前，集成開關電源大多采用PWM控制方式，本設計就是采用這種方式。1.2.2半橋式開關電源原理半橋式電路的工作原理與波形如圖1.2所示。 在半橋式電路中，變壓器一

19、次繞組兩端分別連接在電容C1, C2的中點和開關S1,S2的中點。電容C1, C2的中點電壓為Ui /2。S1與S2交替導通，使變壓器初級形成幅值為Ui /2的交流電壓。改變開關的占空比，就可改變二次整流電壓U的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。 S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，當兩個開關都關斷時，變壓器繞組W1中的電流為零，根據變壓器的磁動勢平衡方程，繞組W2和W2中的電流大小相等、方向相反，所以VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。S1或S2導通時電感上的電流逐漸上升，兩個開關都關斷時，電感上的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。

20、變壓器繞組W1還需要串接一小容量的電容，由于電容的隔直作用，半橋式電路對由于兩個開關導通時間不對稱或C1, C2電容電壓不能精確到輸入電壓的一半而造成的變壓器一次電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。圖1.2 半橋式電路的工作原理 為了避免上下兩開關在換流的過程中發(fā)生短暫的同時導通現(xiàn)象而造成短路損壞開關器件，每個開關各自的占空比不能超過50，并應留有裕量。 當濾波電感L的電流連續(xù)時，有Uo/Ui=(N2/Nl)(Ton/T )。 如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計算值，并隨負載減小而升高，在負載電流為零的極限情況下有Uo/U1=(N2/Nl)(U

21、i/2)。1.2. 3 PWM控制器SG1525A 如圖1.3所示，PWM控制電路一般主要由以下幾部分組成： (1)基準電壓穩(wěn)壓器:提供一個供輸出電壓進行比較的穩(wěn)定電壓和一個部IC電路的電源;圖1.3 PWM控制電路 (2)振蕩器：為PWM比較器提供一個鋸齒波和與該鋸齒波同步的驅動脈沖控制電路的輸出； (3)誤差放大器：使電源輸出電壓與基準電壓進行比較，以正確的時序使輸出開關管導通的脈沖倒相電路。 其基本工作過程如下：輸出開關管在鋸齒波的起始點被導通。由于鋸齒波電壓比誤差放大器的輸出電壓低，所以PWM比較器的輸出較高，因為同步信號已在斜坡電壓的起始點使倒相電路工作，所以脈沖倒相電路將這個高電位

22、輸出使V1導通，當斜坡電壓比誤差放大器的輸出高時，PWM比較器的輸出電壓下降，通過脈沖倒相電路使V1截止，下一個斜坡周期則重復這個過程。 電源中采用的PWM芯片為SG1525A。 SG1525A是美國通用電氣公司生產的第二代PWM芯片，是SG1524A的改進型，軍品級，16腳封裝。它是采用雙級型工藝制作的新型模擬數字混合集成電路，性能優(yōu)異，所需外圍器件較少。它的主要特點是:輸出級采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比050%可調，每一通道的驅動電流最大值可達200mA，灌拉電流峰值可達500mA?？芍苯域寗庸β蔒0S管，工作頻率最高400KHz，具有欠壓鎖定、過壓保護和軟啟動等功能7。第二章 電池的

23、充電原理本章介紹了可充電電池的常用充電方法和充滿檢測判斷方法。2.1可充電電池電池是一種把化學能轉變?yōu)榈蛪褐绷麟娔艿难b置，一般又稱為化學電源或化學電池。它由兩種不同成分的電化學活性電極分別組成正負極，兩電極浸泡在能提供媒體傳導作用的電解質中，當連接在某一外部載體上時，通過轉換其部的化學能來提供能。作為一種電的貯存裝置，當兩種金屬(通常是性質有差異的金屬)浸沒于電解液之中，它們可以導電，并在“極板”之間產生一定電動勢。電動勢大小(或電壓)與所使用的金屬有關，不同種類的電池其電動勢也不同。從電解質上分電池可分為一次性電池和可充電電池(二次電池)兩種。一次性電池包括堿錳電池、鋅錳電池、鋰電池、銀鋅電

24、池、鋅空電池、鋅汞電池、鎂錳電池等;可充電電池包括鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鉛酸蓄電池等。下面是一些關于電池和充電方面的概念。充電率：用C來表示電池充放電時電流的大小數值。例如:充電電池的額定容量為1100mAh時，即表示以1l00mAh(1C)放電時間可持續(xù)1小時，如以200mA(0.2C)放電時間可持續(xù)5小時，充電也可按此對照計算。終止電壓：指電池放電時，電壓下降到電池不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓值。根據不同的電池類型與不同的放電條件，對電池的容量和壽命的要求也不同，因此規(guī)定的電池放電的終止電壓也不一樣。開路電壓：電池不放電時，電池兩極之間的電位差被稱為開路電壓。電池的開路電壓，會依

25、電池正、負極與電解液的材料而異，如果電池正、負極的材料完全一樣，那么不管電池的體積有多大，幾何結構如何變化，其開路電壓都是一樣的。放電深度：在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比，稱為放電深度。放電深度的高低和二次電池的充電壽命有很深的關系，當二次電池的放電深度越深，其充電壽命就越短，因此在使用時應盡量避免深度放電。過放電：電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值，還繼續(xù)放電時就可能會造成電池壓升高，正、負極活性物質的可逆性遭到損壞，使電池的容量產生明顯減少。過充電：電池在充電時，在達到充滿狀態(tài)后，若還繼續(xù)充電，可能導致電池壓升高、電池變形、漏夜等情況發(fā)生，電池的性能也會顯

26、著降低和損壞。能量密度：電池的平均單位體積或質量所釋放出的電能。一般在一樣體積下，鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的2.5倍，是鎳氫電池的1.8倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會比鎳鎘、鎳氫電池的體積更小，重量更輕。自放電：電池不管在有無被使用的狀態(tài)下，由于各種原因，都會引起其電量損失的現(xiàn)象。若是以一個月為單位來計算的話，鋰離子電池自我放電約是1%2%、鎳氫電池自我放電約3%5%。充電循環(huán)壽命:充電電池在反復充放電使用下，電池容量會逐漸下降到初期容量的60%80%。記憶效應:在電池充放電過程中，會在電池極板上產生許多小氣泡，時間一久，這些氣泡會減少電池極板的面積，也間接影響電池的容量

27、8。2.2電池的充電方法電池的充放電是一個復雜的電化學變化過程，其復雜性表現(xiàn)在：(1)多變量，影響的因素多，諸如電解液的濃度、極板活性物的活度、環(huán)境溫度;(2)非線性，充電電流在充電過程中隨時間呈指數規(guī)律變化，不可能用恒流或恒壓的方式得到;(3)離散性，即使同一類型、一樣容量的電池，隨著各自使用的情況不同，充電電流也有很大的不同。因此，若只采用一種方法，則會很難保證電池較好的充電。電池的充電方法有很多，包括9：(1)恒流充電以恒定的電流對電池進行充電。(2)恒壓充電以恒定的電壓對電池進行充電。這兩種方法是最早也是最簡單的充電方法，所以缺點很多:恒流充電要掌握好適當的充電電流，過大會損傷電池;過

28、小又會使充電時間很長。而恒壓充電在充電的初始階段，由于電池的電壓很低而造成充電電流很大，這對電池會造成損害。當電池電壓上升后電流會隨之減小使充電時間延長。 (3)恒壓限流法恒壓限流法實際上是將恒壓充電和恒流充電相結合，又稱為混合充電法。在充電開始階段，由于電池電壓很低，為避免電流過大而損壞電池，就采用恒流充電法來限制充電電流。當電壓達到預定值時，進入恒壓充電方式。(4)脈沖充電在電池的充電過程中，蓄電池中產生的極化現(xiàn)象會阻礙充電，并使出氣率和溫升顯著升高。而用周期性的脈動電流給電池充電可以使電池有時間恢復其原來狀態(tài)，減小極化現(xiàn)象的影響。(5)負脈沖組合充電這種充電方法是脈沖充電法的改進:一個周

29、期是由一個正脈沖后加一個負脈沖，然后才是空閑時段。這樣就強制消除電池的極化現(xiàn)象，使得電池充電時可以更快而又不損害電池的使用壽命。在本電源中采用的主要充電方法就是負脈沖組合充電。2.3電池的充滿檢測電池的充滿檢測方法也有很多種，常用的有10：(1)峰值電壓(最高電壓)法當電池充滿時，其端電壓會達到一個峰值，通過檢測這個峰值電壓和預設值比較來判斷充電的終點。這種方法是最簡單也是最不可靠的，因為不同類型的電池有不同的峰值電壓，即使是同一類型的電池或同一塊電池使用時間不一樣，其峰值電壓也會不同，所以這種充電方法會造成電池的過充電或欠充電。(2)dT/dt法通過檢測電池峰值溫度變化率來判斷充電的終點。(

30、3)OT法電池充滿電時溫度與環(huán)境溫度之差會達到最大。(4)計時(最長時間)法通過設置一定的充電時間來控制充電終止，一般設定要充進130%標稱容量所需的時間來控制。這種充電方法同樣會造成電池的過充電或欠充電。(5)一V法當電池充滿達到一峰值電壓后，電壓會下降一定的值V，通過檢測這個一V來判斷電池是否充滿。這種方法是目前電池界公認的最佳檢測方法。(6)零V(OV)法當電池充滿達到一峰值電壓后不變化，通過檢測這個峰值電壓，即零V來判斷電池是否充滿。第三章 可充電穩(wěn)壓電源總體方案設計與普通穩(wěn)壓電源不同，智能可充電穩(wěn)壓電源是通過用戶選擇，單片機控制輸出不同的電壓，并且充電等操作過程也全部由單片機完成，不

31、需人工干預，達到智能化。根據電源設計方案，本章首先提出具體的技術指標和性能要求，然后進行開關電源電路、單片機控制電路和充放電控制電路與方案的設計。3.1電源的技術指標和功能要求3.1.1功能要求(1)穩(wěn)壓供電：12V/24V;(2)電池浮充：13.5±0.5V / 27±0.5V;(3)電池激活：對新電池或長期不用的電池進行激活，恢復電池容量;(4)常規(guī)充電：按1A或1.75A電流對電池進行充電;(5)快速充電：按2A或3.5A電流對電池進行充電;(6)對鎳鎘、氫鎳電池組充電為負脈沖組合充電，對鋰電池組為恒壓限流法充電。充電過程中采用零斜率、負斜率檢測與最大時間、最高電壓保

32、護。電池充滿時，指示燈閃爍并有音響提示，自動停止充電，以確保電池不過充電;(7)具有輸出保護功能當輸出電流大于6.5±0.5A時或當輸出發(fā)生短路時，電源能自動停止輸出，告警指示燈亮，并有音響告警。輸出電壓選擇12V時，若輸出電壓=16±11.5V，電源能自動停止輸出，告警指示燈亮，并有音響告警。輸出電壓選擇24V時，若輸出電壓=31±2.0V，電源能自動停止輸出，告警指示燈亮，并有音響告警。(8)具有輸入保護功能當輸入交流電壓高于264V272V或低于150V160V時，關斷輸出，告警指示燈亮，并有音響告警，電壓恢復正常時，自動恢復工作。3.1.2技術指標(1)交

33、流電壓輸入圍：160V270V , 50Hz±13Hz；(2)外形尺寸：256mm×163mm×73 mm；(3)重量：不大于3.1kg；(4)環(huán)境要求工作環(huán)境溫度 穩(wěn)壓供電:-40+55。 充電:-25+55。儲存溫度:-55+70；(5)充電被充電池組電壓:標稱電壓為12V/24V的隔鎳、氫鎳或鋰電池組。充電時間:常規(guī)充電時間=360min?？焖俪潆姇r間150min。充電容量:充電后電池組的平均放電容量不低于電池組實際容量的95%。最大充電電流:3.5A。(6)直流穩(wěn)壓輸出直流電壓 穩(wěn)壓供電:12±0.2V/24±0.2V。 12V供電設有

34、浮充電壓:13.5±0.5V。 24V供電設有浮充電壓:27±0.5V。輸出最大直流電流:6A/24V、3.5A/12V。負載效應:Su<±13%。源效應:Si<±2%。紋波電壓:輸入220V，負載電流為6A時，紋波+噪聲電壓峰峰值<1%。(7)電源效率:n80%；(8)電磁兼容:符合G151A中CE102, CS101, CS114, RE102, RS103要求；(9)沖擊要求:符合G367A-2001中3.10.3.2規(guī)定要求；(10)振動:符合G367A-2001中3.10.3.1規(guī)定要求；(11)溫熱:符合G367A-2001

35、中3.10.2.5規(guī)定要求；(12)鹽露:符合G367A-2001中3.10.2.14規(guī)定要求；(13)防雨:符合G367A-2001中3.10.2.7規(guī)定要求。3.2電源的硬件方案設計根據電路功能把電源劃分為開關電源電路、單片機控制電路和充放電控制電路三部分。電源的系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。圖3. 1電源的系統(tǒng)框圖3.2.1 開關電源電路半橋式開關電源具有變壓器雙向勵磁、無變壓器偏磁問題，而且對比全橋式開關電源開關較少、成本低，設計和開發(fā)相對容易，所以電源選用了半橋式開關電源。如圖1.1所示，利用PWM控制器SG1525A搭建半橋式開關電源。能夠提供選擇的電壓輸出，具有過流、過壓等硬件保護措施

36、。3.2.2單片機控制電路如圖3.2所示，單片機控制電路包括:(1)穩(wěn)壓供電時監(jiān)測輸出電流、電壓;(2)充電時監(jiān)測電池端電壓和調整輸出電流;(3)監(jiān)測輸入電壓的變化;(4)接收按鍵信息并做出相應的處理;(5)提供工作和故障時的聲音和燈光指示;(6)在有故障時迅速做出相應的保護。單片機采用美國Microchip公司的PIC系列單片機，本身帶有10位A/D轉換功能，已足夠滿足對輸入、輸出電流、電壓的采樣檢測精度。并且單片機提供有足夠的I/O口，能滿足按鍵、蜂鳴器和指示燈的要求?？紤]到要滿足惡劣條件下使用，常用的液晶顯示屏在低溫下會顯示不清，所以用溫度圍寬的高亮二極管替代。圖3.2單片機控制電路框圖

37、3.2.3充放電控制電路穩(wěn)壓充電控制電路主要是利用開關電源輸出進行脈沖充、放電控制。包括充電控制電路和放電控制電路。如圖3.3所示。圖3. 3充放電控制電路框圖3.3電源的充放電控制方案設計不同種類的電池具有不同的充電特性。根據技術指標，要求電源能對不同容量和端電壓的鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池組充電?？紤]到目前裝備配發(fā)的電池大多為鎳鎘、鎳氫電池，所以把重點放在了怎樣對鎳鎘、鎳氫電池進行高效地充電。不過充、不欠充，并對這些電池的“記憶”效應進行消除。對電池采用脈沖充電，并在充電脈沖的間歇插入短暫的放電脈沖，在不充不放的時間段檢測電池的電壓，送入A/D轉換，以檢測一V和OV的到來。利用三次完整的放充循

38、環(huán)消除電池的“記憶”效應。對鋰離子電池采用先恒流后恒壓的方法，保證將電池充滿。電池的放電考慮放電電阻的體積不能太大和散熱的因素，按電流的大小當選擇12V電池組的時候將放電管完全打開進行直流放電; 24V電池組將采用脈沖放電以減小平均電流。在硬件實現(xiàn)上主要利用單片機PIC16F877控制PWM控制器產生脈沖輸出或直流輸出，并利用單片機本身的10位A/D進行-V檢測。方框圖如圖3.4所示。圖3.4電源充放電控制方案框圖第四章 可充電穩(wěn)壓電源的硬件設計 根據電源的硬件設計方案，本章對電源的硬件進行具體設計。包括開關電源電路、單片機控制電路、充放電控制電路和電磁兼容方面的設計。4.1開關電源電路設計

39、利用PWM控制器搭建半橋式開關電源電路。4.1.1半橋式電路設計半橋式電路原理如圖4.1所示。圖4.1 半橋式電路原理圖輸入交流220V通過噪聲濾波器，再經過橋式整流濾波B2得到直流電壓約E=300V,此電壓加到半橋式功率變換器上。 如圖4.2所示，在t0期間，當半橋變換器加上直流300V，而開關管Ql, Q2的基極無控制脈沖時，它們都處于截止狀態(tài)，由電容器C25, C26的分壓作用，Q1, Q2的源一漏間電壓均為1/2E，開關變壓器T2兩端無電壓。 在t1期間，來自PWM的控制脈沖加到Q1的柵極時，Q1導通，電源電流ICl從E經Q1,隔直電容器C27、開關變壓器T2和電容器C26流向地，此時

40、Q1導通飽和，開關管Q2源極電壓升為E，變壓器T2兩端電壓V=1/2E。在t2期間，無控制脈沖送入Q1, Q2的柵極，它們都處于截止狀態(tài)，開關變壓器T2兩端電壓為零。在t3期間，來自PWM的控制脈沖加到Q2的柵極時，Q2導通，電流IC2從E經電容器C25、變壓器T2、電容器C27和Q2流向地，此時Q2導通飽和，開關管Q2源極電壓降為0,變壓器兩端電壓V=1/2E 。由此類推，當Q1, Q2按一定PWM控制脈沖方波交替導通和截止，變壓器兩端得到交變的準方波。圖4. 2開關變壓器初級電壓波形在開關變壓器次級產生的矩形脈沖經高速整流二極管D2整流，再經由扼流圈Ll,L2和電容C21, C22, C3

41、2構成的II形濾波器濾波，得到純凈的直流輸出。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小IGBT集電極大的電壓尖脈沖，一般在柵極串聯(lián)電阻Rg，一般選Rg為幾歐十幾歐，這里取10歐。4.1.2 主要器件參數設計(1)工作頻率開關電源的開關頻率越高，高頻變壓器、扼流圈就可做得越小，電源體積也就越小。然而，開關頻率越高，意味著功率開關管的開關損耗要增加、效率會降低，所以開關頻率要受到功率開關管的制約，這里選取開關頻率為20KHz。(2)功率開關管開關電源的開關元件有很多種類，例如雙極性晶體管、快速晶閘管、可關斷晶閘管、場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管等。其中，經常使用的是場效應晶體管和絕緣柵雙極型

42、晶體管，在小功率變換器上也延續(xù)使用雙極性晶體管。 隨著現(xiàn)代電力電子器件技術的發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)以其電壓型驅動、驅動功率小、開關速度高、飽和壓降較低以與可耐高電壓大電流的優(yōu)點，己成為當前在工業(yè)領域中應用最廣泛的電力電子器件。 IGBT有如下優(yōu)點:IGBT的開關速度高、開關損耗小。在一樣電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比大功率晶體管(GTR)大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。IGBT的通態(tài)壓降比功率場效應晶體管(MOSFET)低，特別是在電流較大的區(qū)域。與GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時可保持開關頻率高的特點。本電源選用功率開關管為SGF80

43、N60UF(80A, 600V)。(3)高頻變壓器由于電源為對稱半橋式，變壓器無需加氣隙。為了減小漏感、降低電磁干擾，高頻變壓器磁芯選用R2KB材質環(huán)形鐵氧體，尺寸為:37×23×7mm，用4個疊繞。確定原邊匝數Np原邊繞組匝數可由下面公式計算:Np=V/(Kf×Fw×Bw×Ae)(4.1)式中Kf波形系數，方波時取4；Fw開關頻率，電源為20KHz；Bw磁芯工作磁通密度，取0.13T；Ae磁芯有效面積，電源為392mm2；V變壓器原邊電壓，電源中V=250×1.3/2=162.5V 。則Np=162.5/4×20×

44、;103×0.13×392×10-639.9，取整40匝。計算原、副邊繞組匝數比與副邊繞組可按(4.2)式計算半橋式高頻變壓器的原、副邊匝數比: Np/NS=0.5Vinmin/Vop(4.2)式中Np原邊繞組匝數Ns副邊繞組匝數Vinmin最小輸入直流電壓，在交流160V加載下約為160×1.3=208V。Vop變壓器應輸出電壓，為電源輸出電壓Vo、整流二級管正向壓降Vdf和濾波電感直流壓降VL三項之和除以占空比D，即Vop= (Vo+Vdf+VL)/D 。在電源中輸出電壓充電時最高為Vo=35V，設Vdf=0.7V, VL=0.2V, D=0.8,則

45、Vop=(35+0.7+0.2)/0.8=44.875V 。則Np/Ns=1/2×208/44.8752.3。副邊繞組Ns=Np/2.3=45/2.619.6匝，在實際中取為20匝。經過實驗，45: 20的匝比取得了很好的效果。繞制變壓器時，采用“治”繞法繞制:先繞初級Np總匝數一半；再繞完次級匝數Ns；最后繞NP的余下一半。這樣保證了初、次級較好的藕合，減少了漏感。線徑和根數的選取原邊繞組電流為Ip=2Po/Vsn；在最大輸出功率下(27V、6A), Vop=(27+0.7+0.2)/0.8=34.875 V ；Po=Vop×6=34.875×6209W；Vsn

46、=Vin min×n=208×98%=204，其中n為變壓器的效率；則Ip=2×209/2042A?？紤]趨膚效應，在20KHz 100下穿透深度為=7.65/F1/20.541mm，則2=1.08mm，應選擇直徑不超過1.08mm的漆包線?？紤]繞制問題，實際中選取了0.6mm的高強度漆包線。取電流密度J=6A/m，則單根0.6mm線徑漆包線可通過電流為:I=JpD2/4=63.14×0.6×0.6/41.7A則初級可用2根并聯(lián)。次級為Ip *Np/Ns/I3根，實際中為了減小發(fā)熱量，選用了4根。(4)扼流圈的計算扼流圈是開關電源二次輸出級主要功

47、率器件，也是影響輸出電壓指標的重要因素，過大的電感量會使輸出的動態(tài)特性變差，而過小的電感量又會使輸出的紋波電壓變大，因此必須選取合適的電感量。粗略地可按下面公式計算:L=2P/(fI2)(4.3)式中 P輸出功率； f開關頻率； I輸出電流。則電感量為L=2P/(FI2)=2×150/(20×103×36)416uH。電源中采用鐵氧體環(huán)形磁芯，尺寸為33.6×19.6×12mm，匝數為53匝，1.0mm線徑。(5)驅動變壓器的繞制驅動變壓器采用罐型磁芯P23/18,罐型磁芯的特點是在所有類型的磁芯中具有最好的磁屏蔽效果，但是也具有最差的散熱能力

48、，因此比較適合用來制作小功率的驅動變壓器。 驅動變壓器用0.2mm線徑，單根。先繞高橋開關管的20圈，中間繞原邊的初級20圈，最后繞低橋開關管的20圈。這是另一種采用次級一初級一次級的繞法，同樣可以有效地減小漏感。制好后測量電感量大概有1.3mH左右。(6)整流二極管在開關電源中，宜采用正向壓降小、快恢復的整流二極管。本電源選用肖特基快恢復二極管MUR3060(30A600V)，反向恢復時間< 60nS，其正向壓降VF=1.2V（IF=15A，Tc=150)，開關速度快，使管子溫升下降，輸出電壓尖峰減小，提高了整機效率。(7)濾波電容濾波電感的電流變化速度是有限的，為了防止負截電流的突變

49、引起輸出電壓大幅度地波動，必須把濾波電容C值取足夠大。為了降低等效阻抗，用了兩只2200uF /50V和一只1000uF/50V電容器并聯(lián)，取得了很好的效果。4.2單片機控制電路設計控制系統(tǒng)是整個電源的控制核心，該部分電路主要任務是根據用戶選擇輸出相應的電壓并根據充電算法完成對多種電池的充電；對穩(wěn)壓輸出、充電過程中的各種信號進行監(jiān)視;對電源的各種錯誤進行處理；提供良好的人機界面，方便用戶操作。4.2.1單片機PIC16F877芯片在電源中，單片機采用了美國Microchip公司的PIC16F877，它是PIC系列中的中級產品，成本低、功耗低、性能高、全靜態(tài)設計，具有精簡指令集RISC結構，CP

50、U采用指令線與數據線分離的哈佛結構，兩級流水線指令取數與執(zhí)行，這使得PIC在代碼壓縮與執(zhí)行速度方面和同類8位單片機相比，具有較大的優(yōu)勢1112。單片機主要性能:具有高性能RISC CPU；僅35條單字指令，除程序分支指令為兩個周期外，其余均為單周期指令；8K×14個FLASH程序存儲器；368×8個數據庫存儲器(RAM)字節(jié)；2568×EEPROM數據存儲器字節(jié)；中斷能力(達到14個中斷源)；10位A/D轉換器；可編程的代碼保護；低功耗，高速CMOS/FLASH/EEPROM工藝；在線串行編程(ICSP )；單獨5V的部電路串行編程(ICSP)能力；處理機讀/寫訪

51、問程序存儲器；運行電壓圍2.0V到5.5V；4.2.2主控制電路設計主控制電路主要包括:(1)控制調整穩(wěn)壓/充電輸出的電壓;(2)檢測輸入、輸出電壓與電流值;(3)接收按鍵輸入，設定工作參數;(4)提供工作時的狀態(tài)顯示;(5)提供過流、過壓等出錯情況下的保護與報警。主控制電路如圖4.3所示。圖4.3 主控制電路圖(1) 電壓調整電路如圖4.4，U3為美國Xicor公司生產的數控電位器X9312W，100個滑動端。來自單片機U1的電壓調整信號送入數控電位器U3的1, 2腳，其中2腳(U/D)接收高電平升高電壓平;低電平降低電壓。1腳(INC)接收電壓脈沖改變輸出電壓值。改變的電壓通過5腳輸出送入

52、PWM控制芯片來調整電源的輸出電壓。圖4.4 電壓調整電路 (2)電壓、電流檢測電路如圖4.5，圖4.6所示，電源輸出電壓V+通過電阻分壓送入單片機U1的RAO腳進行A/D轉換，分壓電阻取2K和14K，分壓值為:V = V+×2/16=1/8V+。電源輸出經過電流檢測電阻產生一個負壓v_ ,v_經運放器U4A放大后輸出送入單片機的RA1腳進行A/D轉換，放大電阻取120K和20K，則放大倍數為:N=120/20=6。圖4.5 電壓檢測電路圖4.6 電流檢測電路(3)按鍵輸入、狀態(tài)顯示電路如圖4.3，單片機機U1通過RB, RC和RD三個IO口與插排P1 相連，可以接收6個按鍵輸入信號

53、，輸出13個狀態(tài)指示燈和1路蜂鳴告警輸出。(4)過壓、過流保護電路過壓保護：單片機U1的RA0腳接收電源輸出電壓的分壓信號，當檢測出其值大于規(guī)定值時，通過RC6腳輸出高電平，PWM控制器U2的SD腳接收到這個信號，會關閉PWM的輸出脈沖，這樣就會切斷整個電源的電壓輸出。過流保護：U4A輸出的電流檢測信號通過兩個二級管D10, D9降壓送入PWM控制器U2的IN-腳，IN-腳為PWM比較器的反相檢測端，當發(fā)生過流或短路時，IN-腳的電壓會升高，大于同相檢測端的電壓，這樣U2會自動減小輸出的脈沖寬度，降低輸出電壓，保護開關功率管不受損壞。4.3充放電控制電路設計該電路的主要任務是完成對電池組的脈沖

54、充電和放電功能。4.3.1充電電路設計如圖4.7，PWM控制器U2當SD腳電壓為低電平時產生輸出，輸出PWM脈沖經OUTA和OUTB腳接入驅動變壓器T1。T1為推挽式變壓器，次級有兩組線圈，分別控制開關管Q1和Q2。PWM的輸出脈寬由其片的比較器決定，使電源的輸出電壓大小變化，從而決定了輸出電流的大小。U2的SD腳關閉端連接單片機U1的RC6腳，當RC6輸出為脈沖時，PWM的輸出就會隨著脈沖的頻率時有時無，這樣電源的輸出就表現(xiàn)為脈沖式輸出，從而實現(xiàn)了對電池組的脈沖充電。圖4.7充放電電路4.3.2放電電路設計如圖4.7，電池的放電功能是由MOSFET管Q3來完成的，其柵級連接單片機U1的RC7

55、腳，當RC7為直流高電平或脈沖時，電池組V+通過二極管D11、放電電阻R19完成對電池組的直流放電和充電時的脈沖放電。4. 4防電磁干擾措施電磁兼容性(EMC,Electro Magnetic Compatibility)是指裝置、設備或系統(tǒng)在特定的電磁壞境中能正常工作，并且不對該環(huán)境中的其他裝置、設備或系統(tǒng)造成電磁干擾(EMI)的能力13。4.4.1電磁干擾問題開關電源的電磁干擾可分為傳導干擾和輻射干擾兩大類。傳導干擾通過交流電源傳播，頻率低于30MHz。輻射干擾通過空氣傳播，頻率在30MHz以上。在開關電源中，主功率開關管在很高的電壓下，以高頻開關方式工作，開關電壓與開關電流的接近方波，從

56、頻譜分析知，方波信號含有豐富的高次諧波，同時，由于電源變壓器的漏電感與分布電容，以與主功率開關器件的工作狀態(tài)非理想，在高頻開或關時，常常產生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產生的高次諧波，通過開關管與散熱器間的分布電容傳入部電路或通過散熱器與變壓器向空間輻射。用于整流與續(xù)流二極管，也是產生高頻搔擾的一個重要原因。因整流與續(xù)流二極管工作在高頻開關狀態(tài)，由于二極管的引線寄生電感、結電容的存在以與反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓與電流變化率下，且產生高頻振蕩。因整流與續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產生的高頻搔擾最容易通過直流輸出線傳出。開關電源自身產生的各種噪聲形成了一個很強的電磁干擾源。這些干擾隨著開關頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強，對電子設備的正常運行構成了潛在的威脅。因此，只有提高開關電源的電磁兼容性，才能在對噪聲敏感的通信環(huán)境下使用，保證通信的正常進行。4.4.2電源采用的防電磁干擾(EMI