基于UCC3895与PIC单片机的智能充电器的设计

2011-08-27 18:18:33来源: 互联网

     采用新一代移相PWM控制芯片UCC3895和PICl6F917单片机,针对常用的铅酸蓄电池设计开发了一种智能充电器,介绍了其硬件设计思路和软件实现方法,并提出了智能控制策略。
关键词:UCC3895;PIC;智能充电器


0 引言
    现代通讯设备、电子产品、电动车辆、UPS等普遍采用蓄电池作为电源,然而多数充电设备功能单一,通用性差,维护质量低,导致产品的使用效率大大降低。本文采用UCC3895和PIC单片机,针对常用的铅酸蓄电池,设计开发了一种智能充电器。
    UCC3895是TI公司生产的专用于PWM移相全桥DC/DC变换的新型控制芯片,可工作于电压模式,也可工作于电流模式,并且可实现输出脉冲占空比从0到100%相移控制,软启动和软停止可按要求进行调节;内置7MHz带宽的误差比较放大器;具有完善的限流及过流保护、电源欠压保护,基准欠压保护、软启动和软停止等功能。
    PICl6F917型单片机与UCC3895共同组成控制器部分,相对于仅使用单片机作为控制器的方式,具有响应速度快,控制精度高,软件设计简单,运行稳定等优点。


l 总体结构
    如图l,充电器的供电部分采用开关电源,其输入为220V交流市电,整流滤波后,一部分为控制电路的数字器件提供辅助工作电源和参考电压,另一部分经全桥逆变转换为高频交流电,再进行高频整流滤波,为蓄电池提供0~60V脉冲直流电。PIC与UCC3895配合构成闭环控制电路,通过比较用户设定值和采样得到的反馈值,在充电过程中的不同阶段对逆变器进行PWM控制,同时PIC完成显示和报警等功能。

2 硬件设计
    1)主电路设计
    如图2,充电主电路采用移相控制全桥ZVT—PWM变换技术,利用功率MOS管的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件,使FB—PWM变换器四个开关管依次在零电压下导通,实现恒频软开关,减少了开关损耗,可保证变压器效率达80—90%,并且不会发生开关应力过大的问题。

    2)控制电路设计
    控制电路分为两部分。第一部分为前级控制器,由UCC3895及其外围电路组成,用来生成PWM脉冲,实现对开关管的控制。第二部分为后级控制器,由PIC和TLV5618及其外围电路组成,实现用户设定、采样、显示、计时、报警、主电路通断等充电过程的管理功能。

(1)前级控制电路
    引脚电路功能分析
    如图3,脚1和脚20是误差放大器的反相输入端和同相输入端,其中脚20外接Uc,Uc是后级控制器送来的输出电压控制信号,经隔离后,在这里作为误差放大器的基准电压。脚2为误差放大器的输出端,内接PWM比较器的非反相端,外接EA与l脚。当充电开始时,充电电流较大,取样电流与设定电流比较后接在PWM的非反相端,从而调节PWM输出脉冲宽度;当充电末了,充电电流较小,充电电压变大,2脚依靠误差放大器反馈控制调节PWM输出脉冲宽度。


 

    脚3为PWM比较器的反相输入端,外接7脚和取样电流电路。充电初始阶段,充电电流较大,电路工作在峰值电流模式下,反馈信号主要由取样电流提供,它与同相端比较后,调节PWM输出脉冲宽度。充电中后期,充电电流变小,充电电压稳定,电路工作在电压模式下,该端接CT(引脚7)上的锯齿波信号。
    工作过程原理分析
    充电器电压信号由传感器取出,加到UCC3895的1脚。充电初期,电池两端电压很低,充电电流很大,电路工作在峰值电流模式下,电压反馈对控制电路影响比较小,这时电路主要靠电流反馈工作,采样电流VI经过比较后加到PWM比较器的非反相端,IA、IB经过整流后加到PWM比较器的反相输入端,由两者的大小调节PWM比较器输出脉冲的宽度(如图4);充电中后期,电压变大,充电电流变小,电路工作在电压模式下,电压信号加到误差放大器的反相端与设定的基准值比较后送至PWM比较器的非反相端,7脚输出的锯齿波信号接在PWM比较器的反相端,由两者的大小调节PWM比较器输出脉冲的宽度(如图5)。由芯片外围电路可以看出,它具有两个闭环控制调整电路,其一是电压控制闭环电路,电压取样信号加在误差放大器反相端,与后级控制器送来的同相端基准电压比较,产生误差信号,加在PWM比较器反相端。其二是电流控制闭环电路,输出电流取样信号与后级控制器送来的电流信号比较后加在PWM比较器非反相端,它与反相端信号比较后产生控制信号,从而决定输出脉冲的宽度。

   (2)后级控制电路
    参数设定与显示部分
    如图6,PIC的RD0~RD5设为输入,外接6个按键,分别为4个方向键、确定键、取消键,用于接收用户的参数设定值,如电池标定电压、充电电流、充电时间,单片机将这些设定值存储于EEPROM中。RC0~RC7设为输出,外接显示屏的数据端,用于显示当前的工作状态和用户设定确认。

采样部分
    由于PIC的RA0~RA2可同时作A/D通道,用来接收采样的电池电压、充电电流、电池温度,将其转换为十位二进制数存储。其中充电电流通过一个外接检测电阻,转换为电压值线性计算得到,电池温度通过温度传感器TC1047得到。
    控制输出与报警部分
    TLV5618与单片机相连,串行接收RB0送来的代表用户设定值的数字信号,完成DA转换,将得到的模拟量通过OUTA(控制电压VKV)和OUTB(控制电流VKI)输出,为UCC3895提供基准电压和基准电流。RB3、RB4设为输出,用于控制主电路通断(SWITCH)和驱动报警设备(BUZZ)。RB5设为输入,接收报警信号(ALART)。


3 软件设计
    根据铅酸蓄电池的充电特性,为提高充电效率,延长电池寿命,实现快速充电,本文采用三阶段智能识别充电法。如表l所示,以12V铅酸蓄电池为例,在不同温度下各充电阶段选择不同的转换电压,转换电流和浮充电压。
    1)主程序
    充电主程序主要完成各功能部分的初始化、循环采样、显示输出实时状态、判断充电阶段、充电计时、故障报警等工作,其流程图如图7所示。

    2)恒流充电阶段

图8为恒流充电阶段的流程图。单片机按照设定充电电流值控制UCC3895使主电路输出恒定电流,根据当前温度以查表的方式取得恒流到恒压阶段的转换电压,采样电池电压,当电池电压超过转换电压时,该阶段结束,进入恒压充电阶段;若未超过,继续采样。过程中同时判断是否有过流(此时ALART=1)或到达设定充电时间,以确定是否停止充电。

 

    3)恒压充电阶段
    图9为恒压充电阶段的流程图。单片机按照当前电池电压值控制UCC3895使主电路输出恒定电压,采样电流,若电流小于浮充阶段转换值,该阶段结束,进入浮充阶段;若不小于,继续采样。过程中同时判断是否有过压(此时ALART=1)或到达设定充电时间,以确定是否停止充电。

    4)浮充阶段
    该阶段蓄电池已充满,为了补充蓄电池自放电的能量损失,单片机按照表l浮充电压值控制UCC3895使主电路输出恒定电压,给蓄电池一微小的充电电流,同时判断蓄电池的充电电压和电流,以便在恒压充电和恒流充电阶段间转换,判断充电时间,若充电时间到,断开主电路(SWITCH=0,停止充电。流程图与恒压阶段类似。


4 结束语
    以UCC3895和PIC单片机为控制器设计的智能充电器,可对常用的12V~48V铅酸蓄电池进行充电,能够保证电池的充足率,并且保证不会过充。整个充电器体积小,结构简单,成本低,具有良好的充电管理和维护功能,而且有利于延长电池的使用寿命,具有非常高的实用价值和推广价值。

关键字:单片机  智能  设计

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0827/article_8346.html
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