智能型镍镉充电器系统的设计

苏钊+蒋洪+田新明

摘 要：蓄电池被广泛的应用于工业和家用电子设备中，由于蓄电池的成本低，可以多次循环充电使用，符合国家节能环保的要求。市面上的镍镉充电器种类繁多，好的充电器可以延长电池的寿命，不好的充电器在充电工程中可以使电池发热，甚至出现过冲现象，会使充电池有爆炸的危险。市面上的充电多以检测电池温度和充电时间来确定电池是否充满。而现在研究的充电器除了以上检测功能以外，通过加入了电池的负压检测，来检测电池是否已经充满。充电器可以充6～15节电池，充电器通过MCU检测电池状态来控制外部硬件，形成一个闭环控制系统。

关键词：负压检测 闭环控制 温度 时间

中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（b）-0055-03

1 智能型镍镉充电器的原理框图

1.1 充电器

一般都是由电源部分、恒流电路、控制部分以及电池状态检测电路组成。电源部分，一般是通过一个开关电源把市电转换成要充电的电压，开关电源的好处就是转换效率高，电能利用率高（见图1）。

恒流电路是通过检测充电的电流来控制充电的电压。电池状态检测是通过外部电路检测当前电池电压、温度等参数。控制电路是一般都是由MCU来产生一个控制信号和指示信号。

1.2 设计思路

通过原理框图结合一些成熟的电路原理图，经过分析自己可以设计出充电器的硬件原理图来。

2 智能型镍镉充电器的硬件原理

2.1 交流-直流整流电路

市电经过电路后接两个电阻给电容XC1放电使用，防止在充电器拔出后人体碰触插头被电麻，电感LF1是对电源的电流起到一个滤波的作用，使得电流平稳。4个二极管是对电压进行桥式整流转换成一个脉动的直流电压供电源的高压一次侧使用。

2.2 高压一次侧的主回路和震荡电路。

脉动的直流电压，电压经过二极管D10和电阻R15，R17到震荡芯片OB2263，给震荡芯片一个刚上电的电压，让芯片产生震荡电压给场效应管Q2工作，即导通和关断。芯片产生的震荡频率为：

Fosc=6500/RI（Kohm）（kHz）

当场效应管Q2导通后，电压经过高頻磁芯T1A的高压侧，经过开关管，还有下面4个并联的0.5ohm电阻形成回路，产生电流。回路电流经过高频磁芯，T1A的高压侧，会在二次侧产生一个感应的电流。

经过4个并联的电阻后，会在电阻上面产生一个电压，反馈到芯片OB2263中芯片会根据这个电压来调节输出频率。在上电后，OB2263的产生震荡足以在T1B高频磁芯的二次侧，电压经过D9，R14来给OB2263提供电源。

2.3 恒流转换电路

这是一个充电电路，高压一次侧经过高频磁芯T1A产生变化的电流，在二次侧产生感应电流，而产生感应电压，对电阻R10，R11起到保护的作用，在没有外部回路的时候，即没有接上电池的时候，或者开关管AO3401关断的时候，会经过电阻形成电流回路。开关管经过控制电路核心芯片MCU控制。Vo_bat端口的电压，反馈到MCU的ADC上。D7，R9和控制电路的电源接到一起，起到辅助供电的作用。R13作为一个采样电阻，其作用是可以采样流过电池中的电流，在电阻上形成一个电压，这个电压和控制电路的比较器的固定电压比较，产生电平信号对芯片OB2263的FB信号进行控制，来控制一次侧的开关频率，从而起动对电流的控制作用。在电阻R13上的电压可以表示为：

Vs=In×0.1（V）

2.4 控制电路以及其供电电路

高压侧的开关管在一次侧产生一个变化的电流，高频磁芯T1C二次侧也会产生一个感应电流，经过回路会有一个感应电压。稳压电路TL431，经过反向电压形成电压，让三极管MPS222A打开，经过滤波电容C6，形成一个稳定的电压M_VDD，供控制芯片供电。

电池状态检测电路，M_VDD经过R39到端口NTC，这是一个温度开关，用来检测电池的温度，当电池温度过高的时候，温度开关会断开，否则温度开关会闭合。还有一个电阻分压电路R35，R33，用来测量电池当前的电压，以检测电池的负压。

分得的电压为：

V=Vo_bat×1.5/（33+1.5）（V）

CTR端口是有MCU的P1.4端口控制，当P1.4端口为高电平时候，三极管Q3导通，则恒流电路的AO3401开关管打开，对电池充电，反之，开关管关断，电池不充电。

充电指示电路LED端口，接一个双向的LED灯，用来支持是否在充电状态，充电状态指示灯会亮红等，其他状态会亮绿灯。

MCU的特点就是内部有一个比较器，对整个充电电路起到关键的作用，也节省了一个比较器的成本。P5.5为比较器的正端，接上了一个固定的电压：

V+=M_VDD×10/（33+10）（V）

负端接上一个采样电压，即恒流电路中采样电阻上的电压（V-）。P1.2为比较器的输出端。当V+>V-的时候P1.2输出高电平，当V+

3 控制电路的软件系统

3.1 软件系统流程

在MCU上电或者复位之后，MCU必须起动比较器，比较器是整个硬件电路的关键，要起到恒流的作用必须要开启比较器。还有一系列的系统初始化MCU的IO口的配置，在一系列的初始化以后，进入到充电系统循环。（见图3）

3.2 充电结束的条件

由图3可以看出来，充电结束有3个条件，只要满足其中的一个条件，充电过程就会结束。充电结束只要达到充电结束的条件，需要立即停止充电，这个时候，需要检测的就是电池是否拔出，如果电池没有拔出，不允许重新循环充电，这样会损伤电池。检测电池是否拔出，可以检测外部的电压，通过ADC采样电池电压，如果电池还在测存在电压，如果电池不存在，则电池电压很小。

参考文献

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.高等教育出版社，1980.

[2] 胡进德，丁如春，刘爱荣.51单片机应用基础[M].2版.湖北科学技术出版社，2011.

[3] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社，2004.

[4] 田进，景占荣.基于MCU的智能充电控制器的设计与应用[J].微处理机，2006，27（2）：78-81.