低功耗__基于msp430的鉛蓄電池快速充電器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著鉛酸蓄電池的廣泛應(yīng)用，對(duì)蓄電池充電技術(shù)也提出了更高的要求，然而傳統(tǒng)充電技術(shù)有著效率低、高功耗、高損害等致命缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)采用MSP430作為主控制器，通過(guò)外圍檢測(cè)電路對(duì)蓄電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整充電狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)充電智能化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)充電器不足，大大提高充電效率。</p><p><b>　　引言

2、</b></p><p>　　隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，鉛酸蓄電池應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，比如說(shuō)汽車、輪船、通信等各種電子產(chǎn)品等！充電技術(shù)也在不斷更新，從傳統(tǒng)的恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電，發(fā)展到現(xiàn)在的智能充電。充電技術(shù)的更新不僅要滿足對(duì)新型電池的充電要求，更重要的是要提高充電的質(zhì)量，縮短充電時(shí)間，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)是一種基于MSP430控制的智能化

3、蓄電池充電系統(tǒng)，采用馬斯三定律脈沖充電技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)顯示與管理，實(shí)時(shí)調(diào)整充電器工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效、快速、低功耗、高可靠的智能化充電功能。完整的充電系統(tǒng)包括：開(kāi)關(guān)電源主供電電路、IR2110的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、MSP430F169與外圍檢測(cè)與顯示電路、輔組電源電路、MAX232上位機(jī)通信電路、VB上位機(jī)管理界面。</p><p><b>　　系統(tǒng)方案 </b><

4、;/p><p>　　2.1 總體設(shè)計(jì)思想</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MSP430F169超低功耗型單片機(jī)作為主控制器，外圍檢測(cè)電路包括電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的電壓檢測(cè)、霍爾電流檢測(cè)、DS18B20溫度檢測(cè)，顯示電路模塊是采用深圳繪晶科技HJ12864ZW型LCD12864液晶集成模塊。采用反激式開(kāi)關(guān)電源作為充電電路電源，這里是利用美國(guó)PI公司的TOPSwitch-GX系列第四代單片開(kāi)關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)

5、的反激式開(kāi)關(guān)電源。MOSFET驅(qū)動(dòng)電路是采用IR2110集成驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，通過(guò)MSP430的PWM輸出控制。輔組電源主要是為各個(gè)芯片及子系統(tǒng)供電，這里利用比較簡(jiǎn)單快捷的78與79系列三端穩(wěn)壓芯片即可滿足系統(tǒng)要求。上位機(jī)通信是利用MAX232實(shí)現(xiàn)串口通信，上位機(jī)管理界面采用VB編程。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)總體原理框圖</p&

6、gt;<p>　　圖1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　2.2.2 主電源原理框圖</p><p>　　圖2 主電源原理框圖</p><p>　　由于采用脈沖充放電技術(shù)，其可接受充電電流較高，對(duì)應(yīng)充電電路輸出功率要求也較高。為降低功耗、提高效率，采用開(kāi)關(guān)電源作為充電供電電路是最為理想的選擇。開(kāi)關(guān)電源相對(duì)于其它直流穩(wěn)壓電源，具有功率高、能耗低、轉(zhuǎn)

7、換效率高等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各種電子電氣產(chǎn)品領(lǐng)域。</p><p>　　本系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源是采用美國(guó)PI公司的TOP250Y單片開(kāi)關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)的，該芯片將PWM集成電路和FET集成在同一芯片中，具備PWM型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部功能。通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器隔離的單片開(kāi)關(guān)電源的集成化。相對(duì)于分立元件設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源，基于TOP250Y的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)具有輸出功率范圍大、成本低

8、、集成化高、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是中小型功率開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)的理想選著。TOP250Y在開(kāi)放式系統(tǒng)中，其最高輸出功率可達(dá)290W，設(shè)計(jì)輸出26V直流電壓輸出電流依然達(dá)到8A以上，參考本次設(shè)計(jì)要求，則已經(jīng)完全能夠滿足蓄電池對(duì)電源要求。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 主電源電路原理圖</p><p>

9、　　基于TOP250的開(kāi)關(guān)電源主電路原理圖如圖3所示，該設(shè)計(jì)是采用PI公司提供的技術(shù)手冊(cè)中給出的典型反激式電路應(yīng)用圖，結(jié)合實(shí)際需要對(duì)部分元器件做出調(diào)整后的實(shí)際電路圖。在基于TOPSwitch-GX系列的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，其外圍電路（如檢測(cè)、鉗位、保護(hù)、反饋）在其技術(shù)手冊(cè)中都有詳細(xì)說(shuō)明，用戶結(jié)合實(shí)際應(yīng)用選擇合適的元件即可完成外圍電路設(shè)計(jì)。在外圍電路設(shè)計(jì)中，要考慮元件耐壓值、快恢復(fù)二極管可通過(guò)電流值、鉗位RC吸收電路計(jì)算等。</p>

10、;<p>　　圖3 主電源電路原理圖</p><p>　　3.1 主電源各電路設(shè)計(jì)分析與計(jì)算</p><p>　　3.1.1 輸入保護(hù)與EMI濾波電路</p><p>　　輸入保護(hù)電路采用NTC熱敏電阻與延時(shí)引信相結(jié)合保護(hù)，該電路設(shè)計(jì)對(duì)抑制開(kāi)機(jī)浪涌電流以及電路正常工作時(shí)過(guò)流保護(hù)有比較好的效果。</p><p>　　NTC熱敏電

11、阻(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)作用：在電源回路中使用功率型NTC熱敏電阻器，是抑制開(kāi)機(jī)時(shí)的浪涌電流，以保護(hù)電子設(shè)備免遭破壞的最為簡(jiǎn)便而有效的措施。</p><p>　　延時(shí)引信（延時(shí)保險(xiǎn)絲）作用：有些電路（如開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)電路）在開(kāi)關(guān)瞬間的電流大于幾倍正常工作電流，盡管這種電流峰值很高，但是它出現(xiàn)的時(shí)間很短，我們稱它為脈沖電流。普通的保險(xiǎn)絲是承受不了這種電流的，這樣的電路中就要用到延時(shí)保險(xiǎn)絲，若使用更大規(guī)格的保險(xiǎn)絲，那

12、么當(dāng)電路過(guò)載時(shí)又得不到保護(hù)。</p><p>　　延時(shí)保險(xiǎn)絲的熔體經(jīng)特殊加工而成，它具有吸收能量的作用，調(diào)整能量吸收量就能使它即可以抗住沖擊電流又能對(duì)過(guò)載提供保。當(dāng)同樣過(guò)電流負(fù)載條件下，延時(shí)保險(xiǎn)絲的動(dòng)作速度要比快熔斷保險(xiǎn)絲來(lái)的慢一些，這是因?yàn)槠淙蹟嘈枰嗟臒崃?。這樣就可以承受住開(kāi)關(guān)電源關(guān)斷或開(kāi)通瞬間的脈沖電流，而在電路正常工作狀態(tài)中對(duì)于穩(wěn)定電流又有很好的保護(hù)作用。</p><p>　　本

13、次設(shè)計(jì)主電源電路直流輸出電壓：</p><p><b>　?。?.1式）</b></p><p><b>　　輸出電流峰值： </b></p><p><b>　　（3.2式）</b></p><p><b>　　輸出功率最大值為：</b></p&

14、gt;<p><b>　　（3.3式）</b></p><p>　　設(shè)計(jì)變壓器轉(zhuǎn)換效率為81%，則變壓器輸入視在功率為：</p><p><b>　?。?.4式）</b></p><p>　　接入市電交流電壓，頻率?？紤]市電電壓有一定波動(dòng)，取范圍值：</p><p><b>

15、　?。?.5式）</b></p><p>　　若取最低市電輸入電壓，則峰值輸出功率時(shí)市電輸出電流為：</p><p><b>　?。?.6式）</b></p><p>　　考慮到線路與元器件及變壓器損耗，這里取輸入電流峰值。故電路正常電流峰值電流為，延時(shí)保險(xiǎn)絲與NTC熱敏電阻選擇即參考該電流值。由于TOP250Y最大限電流值為，延時(shí)

16、保險(xiǎn)絲脈沖電流值應(yīng)該至少大于該值，NTC熱敏電阻可抑制浪涌電流值也應(yīng)大于該值。TOPSwitch-GX系列芯片外部流限值見(jiàn)附錄圖2，NTC熱敏電阻規(guī)格與電流值見(jiàn)附錄表1。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用NTC熱敏電阻型號(hào)為，其代表含義是指該電阻常溫阻值為電阻直徑為15mm。對(duì)照附錄表1可知該型號(hào)電阻可抑制浪涌電流為，故電路采用兩個(gè)串聯(lián)方式，以提高對(duì)較大浪涌電流抑制能力。</p><p>

17、　　由于開(kāi)關(guān)電源的高噪聲特性，以及外界電網(wǎng)噪聲加入對(duì)開(kāi)關(guān)電源本身也有較大影響，所以在開(kāi)關(guān)電路前端交流輸入都設(shè)計(jì)有EMI濾波電路，EMI濾波電路屬于一種低通濾器。主電源輸入保護(hù)與EMI濾波電路如圖4所示：</p><p>　　圖4 輸入保護(hù)與EMI濾波電路</p><p>　　3.1.2 整流與輸入濾波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在設(shè)計(jì)整流電路與輸入濾波電路中主

18、要考慮元件耐壓值與可通過(guò)最大電流值。其中整流采用橋式整流電路，由3.5式可知輸入電壓為一定范圍值，這里應(yīng)該取最大輸入電壓設(shè)計(jì)本模塊電路。取最大輸入電壓：</p><p><b>　?。?.7式）</b></p><p>　　則輸入整流二極管承受最大反向電壓為：</p><p><b>　?。?.8式）</b></p&

19、gt;<p>　　一般為留一定裕量，二極管最大耐壓值選取兩倍最大反向電壓，即選取二極管電壓值應(yīng)為：</p><p><b>　　（3.9式）</b></p><p>　　輸入電流，則每只二極管通過(guò)電流為：</p><p><b>　?。?.10式）</b></p><p>　　選用集成

20、整流橋RS806，其最大反向擊穿電壓為800V，額定最大工作電流為8A，瞬間最大電流為250A，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需要。</p><p>　　輸入濾波電容設(shè)計(jì)：交流電壓經(jīng)全橋整流后輸出電壓一般為倍交流輸入有效值電壓，取最高輸入電壓最大整流倍數(shù)，則電容兩端承受最大電壓為：</p><p><b>　?。?.11式）</b></p><p>　　電容

21、最大耐壓值一般留20%裕量，則耐壓值應(yīng)為：</p><p><b>　?。?.12式）</b></p><p><b>　　取。</b></p><p>　　電容容量大小并沒(méi)有較好的計(jì)算方法，一般取經(jīng)驗(yàn)值，即輸入電容值為輸出功率的2—3倍，由此可知本電路輸入電容大小應(yīng)為：</p><p><b

22、>　　（3.13式）</b></p><p>　　但是該計(jì)算值依然不是完全可行的，電容隨著容量的增加其ESR（等效串聯(lián)電阻）ESL（等效串聯(lián)電感）也會(huì)增加，這會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的電路特性參數(shù)；而且高耐壓的電解電容隨著其容值的增加其體積會(huì)變得非常大，而價(jià)格也會(huì)十分昂貴，變相增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本與電路體積。由于TOPSwitch-GX的可調(diào)整占空比很寬（38%—78%），所以可以選擇較小的濾波電容，選用20

23、0/450呂電解電容即可滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　3.1.3 高頻變壓器輸入鉗位電路</p><p>　　高頻變壓器設(shè)計(jì)與繞線中不可避免的有漏感，所以在初級(jí)輸入必須加入鉗位電路，用以吸收漏感能量。這里選用的是瞬態(tài)電壓抑制器TVS—P6KE200和超快恢復(fù)二極管MUR3060組成齊納鉗位。但是這依然不能滿足初級(jí)大輸入電流要求，所以并入RC吸收電路，將漏感能量轉(zhuǎn)而由RC電路吸收。&

24、lt;/p><p>　　并入鉗位電路的RC吸收電路設(shè)計(jì)中電阻應(yīng)選用阻值10K以上功率2W以上的電阻，電容應(yīng)選用1KV的高壓瓷片電容，可以選擇多個(gè)功率電阻并聯(lián)方式作為吸收電路。本次設(shè)計(jì)的鉗位電路與RC吸收電路是參考PIExpert軟件給出的設(shè)計(jì)電路，只是在元件選擇上做出一定調(diào)整。鉗位與RC吸收電路如圖5所示，其中超快恢復(fù)管MUR3060最大平均正向電流為30A，最大正向浪涌電流為150A，最大反向擊穿電壓為600V，恢

25、復(fù)時(shí)間為60ns。</p><p>　　圖5 鉗位與RC吸收電路</p><p>　　3.1.4 TOPSwitch-GX外圍檢測(cè)電路</p><p>　　TOPSwitch-GX系列芯片具有外部電壓檢測(cè)、限電流編程、可調(diào)工作頻率、可調(diào)占空比等功能，是一種可以較為自由設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的芯片，用戶僅需通過(guò)很少的外圍器件就可完成多項(xiàng)功能。</p><p

26、>　　L引腳為外部電壓檢測(cè)引腳，提供過(guò)壓檢測(cè)與欠壓檢測(cè)功能，可以為整個(gè)系統(tǒng)電路提供保護(hù)。芯片也可以通過(guò)流入該引腳電流的大小實(shí)時(shí)調(diào)整內(nèi)部PWM占空比以提高工作效率，占空比大小與流入該引腳電流大小成反比。</p><p>　　L引腳工作原理是通過(guò)串聯(lián)電阻阻值改變輸出L引腳電流的大小來(lái)確定欠壓過(guò)壓檢測(cè)范圍。如果流入L引腳電流小于電流（典型值+50 μA，30 μA的遲滯）時(shí)觸發(fā)（欠壓關(guān)斷重啟）；如果流入L引腳電流

27、大于達(dá)到（典型值+225 μA，8 μA遲滯）時(shí)觸發(fā)（過(guò)壓關(guān)斷重啟）；在和閾值之間允許輸出使能。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)電路中，串入L引腳的電阻阻值大小為，則欠壓關(guān)斷重啟閥值為：</p><p><b>　　（3.14式）</b></p><p>　　即整流濾波后直流電壓若低于220V芯片啟動(dòng)自動(dòng)關(guān)斷重啟保護(hù)。</p>&l

28、t;p>　　過(guò)壓關(guān)斷重啟閥值為：</p><p><b>　　（3.15式）</b></p><p>　　此時(shí)可見(jiàn)過(guò)壓關(guān)斷閥值過(guò)高，已經(jīng)超過(guò)TOP250內(nèi)部FET最大耐壓值（700V）。雖然此時(shí)接入的220V交流市電經(jīng)全波整流后電壓不可能達(dá)到該閥值電壓，也不可能超過(guò)FET最大擊穿電壓，但是在其它高輸入電壓場(chǎng)合應(yīng)用中必須注意這一缺點(diǎn)。一般應(yīng)用中為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)欠壓與

29、過(guò)壓的真正意義上的監(jiān)測(cè)保護(hù)，串入L引腳的電阻都不會(huì)太大（2.2左右），這樣避免了過(guò)壓檢測(cè)沒(méi)有實(shí)際保護(hù)意義！同時(shí)該功能有遲滯觸發(fā)功能，防止電路因?yàn)榫€路噪聲干擾影響而發(fā)生誤關(guān)斷重啟。</p><p>　　3.1.5 高頻變壓器設(shè)計(jì)</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是高頻變壓器的設(shè)計(jì)，高頻變壓器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否穩(wěn)定、安全、高效的工作與否。TOPSwitch-GX系列典型應(yīng)

30、用電路中采用的是反激式變壓器設(shè)計(jì)電路，這樣可以保證芯片能夠高效工作。</p><p>　　根據(jù)主電源的要求，反激式變換器設(shè)計(jì)基本要求：輸入市電電壓范圍；輸出電壓；輸出電流峰值；最大占空比；轉(zhuǎn)換效率81%；工作頻率。</p><p><b>　　選擇磁芯大小</b></p><p>　　由3.4式可知，變壓器傳送功率為256.8W。由于諸多因素，

31、例如磁芯材料特性，變壓器形狀（主要是表面積對(duì)體積的比率），表面的熱輻射，允許溫升、工作環(huán)境等等，無(wú)法把傳輸功率與變壓器大小簡(jiǎn)單聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)參考廠家給出數(shù)據(jù)，本次設(shè)計(jì)采用EE55/28/21高頻磁芯，其最大傳輸功率，，，，，。</p><p><b>　　計(jì)算</b></p><p>　　原邊繞組MOSFET最大導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)在最低輸入電壓和最大負(fù)載時(shí)發(fā)生。工作周期：&

32、lt;/p><p><b>　　（3.16式）</b></p><p><b>　　最大開(kāi)啟時(shí)間：</b></p><p><b>　?。?.17式）</b></p><p>　　（3）最低直流輸入電壓，交流輸入最低電壓，全波整流電壓值一般為交流輸入電壓1.2—1.4倍。</

33、p><p><b>　　（3.18式）</b></p><p>　　實(shí)際導(dǎo)通狀態(tài)漏極到源級(jí)壓降查技術(shù)手冊(cè)知約為12V，故應(yīng)減去此壓降。</p><p>　　計(jì)算原邊輸入峰值電流</p><p>　　輸出電壓26V，設(shè)整流二極管壓降0.7V，繞組壓降為1.0V，則副邊繞組電壓值為26+0.7+1.0=27.7V。</p&

34、gt;<p><b>　?。?.19式）</b></p><p><b>　　計(jì)算原邊繞組電感量</b></p><p>　?。?.20式） </p><p><b>　?。?）求</b></p><p&g

35、t;　　在時(shí)，有最小占空比。當(dāng)輸入電壓由最大到最小變化時(shí)，占空比由最小變到最大。其關(guān)系式可表示為：</p><p><b>　?。?.21式） </b></p><p>　　式中——電壓波動(dòng)范圍系數(shù)</p><p>　　最大輸入電壓對(duì)應(yīng)最大輸入交流電壓時(shí)整流后直流電壓值，去除芯片F(xiàn)ET導(dǎo)通壓降11V，即：</p><p>

36、;<b>　?。?.22式）</b></p><p><b>　　則電壓波動(dòng)系數(shù)為</b></p><p><b>　?。?.23式）</b></p><p>　　代入3.21式可得：</p><p><b>　?。?.24式）</b></p>

37、<p><b>　?。?）驗(yàn)證磁芯尺寸</b></p><p>　　計(jì)算磁芯面積。為（磁芯窗口面積）和（磁芯有效截面積）的乘積。在廠商給出的資料中可以查得該數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的磁芯及骨架大小。如果原邊繞組的線徑為，帶繞組的磁芯所占的值為，可按下式計(jì)算：</p><p><b>　　（3.25式）</b></p

38、><p>　　式中 表明工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值取飽和值的一半，廠家給出的技術(shù)資料中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度，?。?</p><p><b>　?。?.26式）</b></p><p>　　其中單位為磁感應(yīng)強(qiáng)度高斯單位，。</p><p>　　初級(jí)繞組磁線線徑選擇主要考慮通過(guò)的峰值電流大小以及高頻電流產(chǎn)生的集

39、膚效應(yīng)。導(dǎo)線截面積與過(guò)電流大小關(guān)系一般取，這里取。則5.23A電流值需要導(dǎo)線截面積為：</p><p><b>　?。?.27式）</b></p><p>　　查的AWG導(dǎo)線中15號(hào)截面積為1.539線徑為1.400mm換算成英寸為0.0609。但實(shí)際繞線并不能選取該導(dǎo)線繞制，因?yàn)楦哳l電流流過(guò)導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，此時(shí)應(yīng)采用多線并饒的方式解決集膚效應(yīng)和電流要求，而在大電

40、流輸出的次級(jí)繞組中最好選著銅箔繞組以減少漏感。表1中給出銅導(dǎo)線集膚效應(yīng)穿透深度，實(shí)際選擇線徑應(yīng)取穿透深度的兩倍。</p><p>　　表1 銅導(dǎo)線穿透深度</p><p>　　將線徑代入3.25式，求得為：</p><p><b>　?。?.28式）</b></p><p>　　一般只為的以下，這是為了保證多線并饒和絕

41、緣對(duì)體積要求。故取：</p><p><b>　?。?.29式）</b></p><p>　　所以 （3.30式） </p><p>　　前文給出了的參數(shù)；則其為：</p><p><b>　?。?.31式） </b></p&g

42、t;<p>　　因,所以選取合適。選取較大尺寸磁芯是為了滿足減少繞組匝數(shù)，減小線圈損耗，提高效率的目的。</p><p><b>　　計(jì)算氣隙長(zhǎng)度</b></p><p>　　由于反激工作模式是單向激磁，為防止磁飽和，應(yīng)加氣隙。氣隙會(huì)產(chǎn)生較大的磁阻，而且大多數(shù)變壓器所儲(chǔ)存的能量是在氣隙所構(gòu)成的體積中，故有：</p><p><

43、;b>　?。?.32式） </b></p><p>　　式中 ——?dú)庀洞艌?chǎng)強(qiáng)度；</p><p>　　——空氣導(dǎo)磁率為1；</p><p><b>　　——?dú)庀兜捏w積，。</b></p><p><b>　　整理后的：</b></p><p><b

44、>　?。?.33式）</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)計(jì)算所得氣隙為：</p><p><b>　?。?.34式）</b></p><p><b>　　原邊繞組匝數(shù)計(jì)算</b></p><p><b>　　采用公式：</b></p><

45、p><b>　?。?.35式）</b></p><p>　　或 （3.36式）</p><p>　　前式計(jì)算所得，后式計(jì)算所得，取15匝。</p><p><b>　　副邊繞組計(jì)算</b></p><p&g

46、t;　　按輸入最小電壓，導(dǎo)通占空比最大，算的副邊繞組匝數(shù)。</p><p><b>　?。?.37式）</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)計(jì)算所得：</b></p><p><b>　?。?.38式）</b></p><p>　　由于選取芯片工作占空比為其范圍內(nèi)（38

47、%—78%）最低值，且整流二極管壓降本身只有0.4V，故副邊繞組線圈匝數(shù)取3匝。</p><p><b>　　副邊繞組線徑計(jì)算</b></p><p>　　銅導(dǎo)線載流密度為，這里取。則副邊輸出8A電流所需導(dǎo)線面積：</p><p><b>　　（3.39式）</b></p><p>　　查得符合該要

48、求的AWG導(dǎo)線為15號(hào)線，其截面積為1.651，直徑為1.53mm?？紤]到集膚效應(yīng)，由表2可知頻率時(shí)銅導(dǎo)線穿透深度為0.2573mm，取兩倍穿透深度為導(dǎo)線線徑則應(yīng)選取24號(hào)AWG導(dǎo)線。24號(hào)AWG導(dǎo)線規(guī)格查表可知截面積為0.2047，線徑0.566mm則應(yīng)選著九線并饒。這里不建議選擇九線并饒，因?yàn)檫@會(huì)增加變壓器漏感，增加繞組體積使得其骨架磁芯無(wú)法繞下繞組，副邊應(yīng)該選取銅箔繞組，以減少漏感同時(shí)滿足大電流輸出要求。部分AWG導(dǎo)線規(guī)格見(jiàn)附錄表

49、2。</p><p><b>　　計(jì)算偏置繞組匝數(shù)</b></p><p>　　偏置繞組匝數(shù)即參考3.35或者3.36式，計(jì)算所得匝數(shù)為1.54匝，取2匝。因所需輸出電流很小，所以繞組繞線選擇24號(hào)AWG導(dǎo)線雙線并繞即可。</p><p>　　3.1.5 直流輸出電路</p><p>　　副邊繞組輸出為脈沖電壓，需要經(jīng)

50、過(guò)整流濾波電路，本設(shè)計(jì)采用的是超快恢復(fù)二極管MUR3060作為輸出整流二極管，濾波電路采用的是LC濾波電路。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，由于輸出大電流，故輸出濾波電感不易購(gòu)買合適型號(hào)，應(yīng)采用線徑較粗的漆包線自己動(dòng)手繞制。輸出直流濾波電路如圖6所示：</p><p>　　圖6 輸出整流與濾波電路</p><p>　　3.1.6 反饋環(huán)路設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)反饋

51、環(huán)路包括反饋偏置電路，輸出電壓檢測(cè)電路構(gòu)成，其中反饋偏置電路由偏置繞組經(jīng)IN4148、小電解電容、線性光耦LTV807A輸出端構(gòu)成；輸出直流電壓檢測(cè)電路由24V穩(wěn)壓二極管、穩(wěn)壓管補(bǔ)充與偏置電阻、LTV817A輸出端構(gòu)成。如果要保證輸出電壓有較低的紋波，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性一定要好，偏置與補(bǔ)充電阻誤差低溫漂低，線性光耦的CTR（電流傳輸比率）范圍應(yīng)較小以保證流入C引腳的電流不會(huì)出現(xiàn)太大波動(dòng)，在實(shí)際電路應(yīng)用中一定要對(duì)線性光耦CTR進(jìn)行測(cè)試，以確

52、定合適的偏置補(bǔ)充電阻，否則流入C引腳電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致占空比可調(diào)范圍降低，過(guò)小則導(dǎo)致芯片總是進(jìn)入重啟區(qū)域。</p><p>　　整個(gè)反饋環(huán)路工作原理：如果輸出電壓下降，流過(guò)LTV817的電流減小，線性轉(zhuǎn)換后LTV817輸出端流入C引腳電流減小，芯片檢測(cè)C引腳電流減小從而自動(dòng)提高PWM占空比，進(jìn)而提高輸出電壓，反之則減小占空比。</p><p>　　3.2 輔助電源設(shè)計(jì)</p>

53、<p>　　輔助電源主要是為整個(gè)系統(tǒng)電路各個(gè)芯片提供工作電源。根據(jù)各個(gè)芯片對(duì)工作電壓的要求不同，設(shè)計(jì)的輔組電源輸出電壓有、、。由于芯片工作電流、工作電壓紋波要求都較低，采用簡(jiǎn)單三端線性穩(wěn)壓芯片即可滿足設(shè)計(jì)要求，其中輸出采用美信公司的低壓差線性穩(wěn)壓芯片MAX604。為節(jié)約系統(tǒng)成本減少所需變壓器個(gè)數(shù)，故7805芯片輸入端電壓由7815輸出端提供，而MAX604輸入端電壓由7805輸出端提供。</p><p>

54、;　　圖7 輔組電源電路</p><p>　　3.3 充電電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 元件選擇</p><p><b>　?。?）開(kāi)關(guān)管選擇</b></p><p>　　脈沖充電電路設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)管選擇只要是確定工作電壓、工作電流、工作頻率。設(shè)計(jì)充電電壓為26V，充電電流為8A，選擇MOSFET時(shí)其工作參數(shù)

55、應(yīng)留一定裕量，則其反向耐壓值應(yīng)大于52V，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電流應(yīng)大于10A。高的開(kāi)關(guān)頻率可以有效減小充電電路濾波電感的體積，然而，開(kāi)關(guān)頻率太高，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)損耗變大，這里選擇工作頻率為100。綜上所述，選擇MOSFET開(kāi)關(guān)管型號(hào)為2SK1020，其耐壓值為500V，正常工作最高通態(tài)電流30A，瞬間浪涌電流達(dá)92A完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　（2）MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片選擇</p>&l

56、t;p>　　MOSFET驅(qū)動(dòng)采用隔離驅(qū)動(dòng)方式，以減少M(fèi)OSFET功率電路對(duì)PWM信號(hào)電路產(chǎn)生干擾。本設(shè)計(jì)采用的是美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110 驅(qū)動(dòng)器，它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。</p><p>　　輸入濾波電感與前級(jí)電容選擇</p><p>　　前級(jí)電容作用是快速充電降低電壓波動(dòng)以及電池反向放電階段用以吸收部分放電電

57、流，前級(jí)電容一般來(lái)說(shuō)越大越好，不過(guò)大電容的ESR與ESL是不可忽略的，本次只選用一個(gè)1000電容。由于選擇MOSFET工作頻率較高，輸入濾波電感可以選擇電感值較小的電感，本次設(shè)計(jì)采用空心線圈繞制電感。</p><p>　　3.3.2 IR2110驅(qū)動(dòng)芯片</p><p>　　美國(guó)IR公司集成MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片可直接驅(qū)動(dòng)兩路MOSFET或IGBT，在中小功率驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)用十分廣泛，芯片懸

58、浮電路采用自舉電路，邏輯輸入電平兼容TTL和CMOS以及3.3V邏輯電平。其內(nèi)部電路圖如圖8所示:</p><p>　　圖8 IR2110內(nèi)部電路圖</p><p>　　圖中HIN為輸入高電平導(dǎo)通引腳（控制HO端MOSFET），LIN為輸入低電平導(dǎo)通引腳（控制LO端MOSFET），和提供邏輯工作電壓。為MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電壓電源，和接MOSFET柵極，為功率電源地，和為內(nèi)部MOS管漏極

59、與源級(jí)。正常工作時(shí)和以及和之間應(yīng)分別接入一個(gè)鉭電容（自舉電容，為PM提供柵極電荷，電容大小需通過(guò)計(jì)算獲得），而和之間應(yīng)串聯(lián)一個(gè)超快恢復(fù)二極管（自舉二極管，阻斷直流干線上高壓）。驅(qū)動(dòng)電路能否正常工作的關(guān)鍵是自舉電容與自舉二極管的設(shè)計(jì)選擇，如果自舉電容選擇不當(dāng)容易導(dǎo)致PM無(wú)法正常導(dǎo)通甚至是燒毀。</p><p><b>　　自舉電容計(jì)算公式：</b></p><p>&l

60、t;b>　?。?.40式）</b></p><p>　　式中 ——高壓側(cè)MOSFET的柵極電荷；</p><p><b>　　——工作頻率；</b></p><p>　　——自舉電容漏電流；</p><p><b>　?。唬?；</b></p><p>

61、　　——自舉二極管正向?qū)▔航担?lt;/p><p>　　——低壓側(cè)或負(fù)載的壓降；</p><p>　　——每周期電平轉(zhuǎn)換所需電荷（對(duì)于500V/600V的IC為5nc，對(duì)于1200V的IC為20nc）。 </p><p>　　3.3.3充電電路原理圖</p><p>　　系統(tǒng)充電電路原理圖如圖9所示：</p><p&g

62、t;<b>　　圖9 充電電路圖</b></p><p>　　電路中與柵極輸出電阻和并聯(lián)的快恢復(fù)二極管IN4148的作用是：延遲MOSFET導(dǎo)通時(shí)間以減小沖擊電壓的影響，但對(duì)關(guān)斷沒(méi)有影響，因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)二極管正向?qū)苁箹艠O電荷通過(guò)二極管迅速流出以快速關(guān)斷PM；另外一個(gè)作用是有益于減小反向恢復(fù)期間沖擊電流峰值。電阻和的作用是防止MOSFET產(chǎn)生誤關(guān)斷。IN4148反向電壓為75V（峰值100V

63、）；正向電流150mA，峰值電流300mA；導(dǎo)通壓降1V；20V反向電壓（25）漏電流僅25nA；反向恢復(fù)時(shí)間為4ns，完全能夠滿足電路要求。</p><p>　　該電路中IR2110的LIN與HIN引腳為PWM波輸入信號(hào)引腳（PWM信號(hào)由MSP430F169提供），作為控制兩只MOSFET開(kāi)關(guān)信號(hào)，LIN指低電平選擇導(dǎo)通，HIN指高電壓選擇導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)引腳為L(zhǎng)O和HO。電感L1輸出端接電池正極，電池負(fù)

64、極與輸入電源負(fù)極相接。電路工作原理：當(dāng)Q1管子導(dǎo)通Q2管子關(guān)閉，電流從輸入電源正極經(jīng)過(guò)Q1、L1流入蓄電池，蓄電池完成充電流程；當(dāng)Q2管子導(dǎo)通Q1管子關(guān)閉，電流從蓄電池正極經(jīng)過(guò)L1、Q2然后流回蓄電池負(fù)極，蓄電池完成放電流程。放電電流與充電電流大小受輸入IR2110的PWM占空比控制。為避免出現(xiàn)Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通出現(xiàn)輸入電源短路燒毀主電源電路，兩路輸入PWM波應(yīng)軟件設(shè)置死區(qū)時(shí)間以保護(hù)主電源電路（IR2110內(nèi)部集成死區(qū)時(shí)間）。</

65、p><p>　　3.4 電壓檢測(cè)電路</p><p>　　電池電壓檢測(cè)采用分壓電阻網(wǎng)絡(luò)經(jīng)運(yùn)放隔離后電壓信號(hào)送入MSP430內(nèi)部12位ADC轉(zhuǎn)換處理。由于鉛蓄電池對(duì)充電電壓精度要求高（較大的電壓波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池使用壽命），為保證采集電壓信號(hào)的精確，其中電阻分壓網(wǎng)絡(luò)要選用高精度低溫漂型電阻；隔離運(yùn)放也應(yīng)選擇精密低噪聲低溫漂運(yùn)放以減小對(duì)采集電壓信號(hào)影響。電壓檢測(cè)電路如圖10所示：</p&g

66、t;<p>　　圖10 電壓檢測(cè)電路</p><p>　　MSP430F169內(nèi)部集成的12位ADC如果選擇內(nèi)部參考電壓模式其采樣電壓范圍為，故電池最高電壓經(jīng)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后，其最高電壓不應(yīng)超過(guò)，否則MSP430將無(wú)法采集電壓有效信息。若假設(shè)24V鉛蓄電池最高電壓，則有：</p><p><b>　?。?.41式）</b></p><

67、;p><b>　　由上式可得：</b></p><p><b>　　(3.42式)</b></p><p>　　考慮到實(shí)際生產(chǎn)電阻阻值種類，取，即可滿足要求，選用較大阻值電阻是為了減小分壓電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)蓄電池的干擾影響。電路中是為了減少高頻噪聲信號(hào)干擾，電壓跟隨器起隔離作用。作用有兩個(gè)：正常狀態(tài)分壓后信號(hào)電壓不超過(guò)2.5V時(shí)，起輸入限流作用以防

68、止電流過(guò)大燒毀MSP430（其引腳可流入與可輸出電流安全值僅6mA）；如果分壓后信號(hào)電壓超過(guò)2.5V，穩(wěn)壓二極管反向?qū)ㄅc構(gòu)成穩(wěn)壓電路，以保證輸入MSP430電壓不超過(guò)2.5V。</p><p>　　3.5 充電電流檢測(cè)電路</p><p>　　電流檢測(cè)電路采用的是南京中旭電子的HDC—20LX霍爾電流傳感器模塊，HDC系列霍爾電流傳感器是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理的新一代電流傳感器，能在電隔離條件

69、下測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。該模塊是應(yīng)用霍爾原理的開(kāi)環(huán)電流傳感器，輸出為電壓信號(hào)（），無(wú)插入損耗，其工作電壓為，電流測(cè)試范圍根據(jù)型號(hào)不同在之間，具有線性范圍寬、誤差低、抗干擾強(qiáng)、低溫漂、絕緣電壓高（）、響應(yīng)時(shí)間快（3）等優(yōu)點(diǎn)，是新一代電流傳感器應(yīng)用較為理想的選擇。</p><p>　　由于南京中旭霍爾電流傳感器模塊輸出電壓為4V，所以該模塊在實(shí)際應(yīng)用電路中依然需要通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)放隔離后才

70、能由MSP430內(nèi)部ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該霍爾電流傳感器接線簡(jiǎn)單，在具體應(yīng)用檢測(cè)電路可以參考電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理圖加入分壓電阻網(wǎng)絡(luò)即可，這里不再詳細(xì)說(shuō)明。</p><p>　　3.6 溫度檢測(cè)與液晶顯示及串口通信模塊</p><p>　　本次溫度檢測(cè)電路采用美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20集成溫度傳感器，DS18B20是世界上第一片支持 "一線總線&qu

71、ot;接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。</p><p>　　液晶顯示模塊采用的是深圳繪晶科技的HJ12864ZW集成模塊，HJ12864ZW是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128X64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示8X4個(gè)、16X16點(diǎn)陣漢字，與外部CPU接口可采用串行或并行方式控制。</p><p>　　串口上位機(jī)

72、通信電路采用的是采用基于美信公司MAX3232集成芯片設(shè)計(jì)，MSP430F169內(nèi)部支持串口通信，這里采用RS232通信接口，上位機(jī)管理界面利用VB程序編寫(xiě)，硬件電路以及上位機(jī)界面設(shè)計(jì)都相對(duì)簡(jiǎn)單。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 程序設(shè)計(jì)思想</p><p>　　系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思想采用模塊化子程序設(shè)計(jì)

73、，根據(jù)系統(tǒng)要求與各電路工作要求子程序模塊主要涉及：PWM發(fā)生子程序、電壓采集子程序、電流采集子程序、溫度檢測(cè)子程序、液晶顯示子程序、串口通信子程序、用戶選擇充電模式子程序等。電路系統(tǒng)接入電池后，先檢測(cè)電池電壓與溫度，通過(guò)MSP430對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后選擇合適的充電方式，充電過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓、充電電流、溫度等數(shù)據(jù)作為充電方式調(diào)整參考數(shù)據(jù)。電池的充電過(guò)程中，MSP430通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示電池當(dāng)前電壓、充電電流、溫度等狀態(tài)，并通過(guò)串口通信與

74、上位機(jī)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)。程序設(shè)計(jì)中主要是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池狀態(tài)的及時(shí)檢測(cè)和對(duì)充電過(guò)程的實(shí)時(shí)調(diào)整，各檢測(cè)模塊通過(guò)中斷處理方式以實(shí)現(xiàn)電池信息能迅速反饋給主控制器。</p><p>　　4.2 主程序流程圖</p><p>　　主程序主要是完成電池接入檢測(cè)與充電模式確定，子程序流程圖如圖11所示：</p><p>　　圖11 主程序流程圖</p><p>

75、;　　4.3 充電模式流程圖</p><p>　　充電模式選擇分用戶模式和自動(dòng)模式。用戶模式可以根據(jù)用戶需要選擇充電方式，分應(yīng)急快速充電模式、維護(hù)充電模式、常規(guī)充電模式；自動(dòng)模式是根據(jù)接入電池反饋信號(hào)的檢測(cè)，然后通過(guò)MSP430對(duì)反饋信號(hào)處理運(yùn)算后，若運(yùn)算結(jié)果符合一定條件，則程序會(huì)自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)充電模式，免去了用戶維護(hù)的麻煩。由于自動(dòng)模式是在用戶模式中實(shí)現(xiàn)了程序自動(dòng)選擇跳轉(zhuǎn)，故只提供用戶選擇充電模式流程圖。充電模式

76、流程圖如圖12所示：</p><p><b>　　系統(tǒng)創(chuàng)新</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用的是美國(guó)科學(xué)家馬斯針對(duì)鉛蓄電池充電過(guò)程提出的馬斯三定律，以及馬斯的脈沖充放電思想設(shè)計(jì)的快速充電器，與傳統(tǒng)鉛蓄電池充電器相比較，具有充電速度快、效率高、對(duì)電池?fù)p害低、可視化、可人機(jī)交互、高可控以及兼具遠(yuǎn)程在線管理控制等有點(diǎn)。</p><p><

77、b>　　評(píng)測(cè)與結(jié)論</b></p><p>　　高頻開(kāi)關(guān)電源電路測(cè)試是通過(guò)萬(wàn)用表以及示波器測(cè)試，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)該電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求。MOSFET充電電路采用的是示波器觀察脈沖波形法，該電路也達(dá)到設(shè)計(jì)要求。主控制電路，可通過(guò)液晶顯示界面觀察，也達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但由于時(shí)間緊迫，整體系統(tǒng)平臺(tái)未能完全搭架完畢，各系統(tǒng)全方位聯(lián)合調(diào)試未能在比賽提交之前進(jìn)行測(cè)試。</p><p><b

78、>　　附錄</b></p><p>　　充電電壓PWM脈沖波形：</p><p>　　高頻開(kāi)關(guān)電源紋波電壓波形：</p><p><b>　　制作板圖：</b></p><p>　?。ㄩ_(kāi)關(guān)電源及萬(wàn)用表測(cè)量圖）</p><p>　　LCD12864液晶顯示波形（電池電壓未轉(zhuǎn)換為實(shí)際