一种具有充电功能的交直流转换电路的设计与实现

2017-11-01邢阳辉

化工自动化及仪表 2017年4期

关键词：交直流负极二极管

王强兰陟邢阳辉王丽

(国家康复辅具研究中心)

一种具有充电功能的交直流转换电路的设计与实现

王强兰陟邢阳辉王丽

(国家康复辅具研究中心)

介绍了一种具有充电功能的交直流转换电路的设计方法,分别对交直流转换电路、直流电压转换电路和电池充电电路进行设计。实际应用表明：在有220V(AC)或电池的情况下，电源都可以稳定输出24、12、3.3V直流电压。

交直流转换电路电压转换输出电压

交直流转换电路为直流电机驱动电路提供输入电源。现有的交直流转换电路在实际使用过程中，在220V(AC)通断的连续性上不稳定，而且在受到负载电流冲击时容易出现异常，应该在电路设计中增加抗电压跌落功能模块，以增强控制的可靠性[1]。另外，传统充电方式是通过逆变器将直流电转换为交流电，然后利用能量转换装置将电能转换为机械能[2]，这样流经电路的电流会因能量转换而产生损耗。王金玉等采用全桥电磁隔离式直流变换电路结构和高频双向PWM控制策略，提高了电路输出端的调压范围，起到了稳定电压的作用[3]。陈华锋等提出由两级变换电路组成级联电路的设计方案，扩大了电压的输入范围，但电路设计较为复杂[4]。设计电源电路时提高其抗干扰能力和运行稳定可靠性是最重要的[5]。为了实现控制电机驱动时更加稳定可靠的目的[6]，解决输入电压不稳定的难题，并简化电路设计，笔者在进行电源设计时，在没有220V(AC)电压的情况下，依靠电池工作稳定输出。在电路设计方面选择用比较器比较输出的方法，解决电压稳定性问题。在电池充电方面提供了一种比较电压的方式判断充电电路，以有效保护电池，使充电功能更加高效。

1 电源整体设计

具有充电功能的交直流转换电路，包括了交流转直流电路、电池充电电路和直流电压转换电路(图1)，其中交流转直流电路用于将交流电转换为第1预定直流电压输出(24V)，该直流电压的输出端与充电电路的输入端连接，为充电电池充电；该输出端还连接直流电压转换电路的输入端，该直流电压转换电路将该第1预定直流电压转换为第2预定直流电压(12V)和第3预定直流电压(3.3V)后输出。

图1 具有充电功能的交直流转换电路结构框图

2 交流转直流电路

如图2所示，交流转直流电路是由工频变压器(型号TTO-1-632-00)高电压端的两个端子接220V(AC)市电电源，变压器低电压端的3个端子分别连接继电器(型号AZ943S)和由4个二极管组成的整流电路。变压器低压侧第1端子AC0端接继电器AZ943S的常闭触点(第3脚)；变压器低压侧中间端子AC1端接继电器AZ943S的常开触点(第2脚)；变压器低压侧第2端子AC2端连接到整流电路中二极管D3的正极；继电器AZ943S的开关触点，即第1脚连接到二极管D4的正极；二极管D5正极接地，负极连接二极管D3的正极；二极管D6正极接地，负极连接二极管D4的正极；二极管D3和二极管D4负极相连，作为整流电路的输出端，输出24V(DC)的电压。

图2 交流转直流电路

LM358是迟滞比较器，包括两组运算放大器U1A和U1B，U1B通过LM358的第5、6、7脚工作，连接U1B的50kΩ电阻R7是正反馈电阻[7]，该电阻两端连接U1B的第5脚(正极输入端)和第7脚(输出端)，用于保证第7脚输出足够的电压，以触发Q3(Q3为三极管9013)。R10为50kΩ电阻，一端接6V(DC)电压，6V(DC)电压是电池充电电路中12V(DC)电压经过电阻分压后得到的，R10的另一端接U1B的第5脚，用于保护LM358的第5脚，也即起到限流作用，限制流入第5脚的电流的大小，避免烧坏U1B。R15、R16、R19和R20是分压电阻，阻值分别为50、15、50、20kΩ，R19一端接整流电路输出端24V(DC)电压、另一端与R15串联后接LM358的第6脚(负极输入端)；R20一端接地、另一端与R16串联后接LM358的第6脚；R15、R16、R19和R20用于将整流得到的24V(DC)电压分压，输入LM358的第6脚。CE1和CE2为100μF/20V电解电容,作用是滤波。CE1正极接U1B的第6脚，负极接地；CE2正极接Q3基级，负极接地。U1B的第7脚是输出端，接4.7kΩ电阻R11，R11另一端接Q3的基极。Q3的集电极接继电器电磁线圈的负极第5脚，Q3的发射极接地。继电器的电磁线圈正极第4脚接整流输出电压24V(DC)；二极管D7连接继电器的电磁线圈正负极第4脚和第5脚，D7的可选型号为1N4148，D7正极接继电器RLY1的第5脚，负极接继电器RLY1的第4脚，D7是保护二极管。正常通电情况下，电压24V(DC)加到D7负极，D7处于截止状态，所以二极管在电路中不起任何作用，也不影响其他电路的工作。电路断电瞬间，继电器两端产生下正上负且幅度很大的反向电动势，这一反向电动势正极加在二极管正极上，负极加在二极管负极上，使二极管处于正向导通状态，反向电动势产生的电流通过内阻很小的二极管D7构成回路。二极管导通后的管压降很小，这样继电器两端的反向电动势幅度被大幅减小，达到保护驱动的目的。

交流转直流电路的工作原理是：采用TTO-1-632-00型工频变压器将220V(AC)电压转变为设备能使用的24V(DC)电压，其中4个二极管D3、D4、D5和D6起整流作用。

LM358用于比较转换后的24V(DC)电压是否过高。具体比较过程为：U1B通过LM358的第5、6、7脚工作，第5脚和第6脚的输入电压进行比较，如果24V(DC)电压过高，则第7脚输出高电平，触发9013二极管Q3，使继电器常开触点闭合，从而改变变压器低压侧次级线圈的匝数(降低次级线圈的匝数)，使输出电压降低。

因为220V(AC)电压是市电，可能会不稳，如果220V(AC)市电过高，那么输出的24V(DC)也会相应升高，继电器就会动作，将输出匝数改变(减少)，输出电压也就降下来了，保证输出直流电压不会过高。

3 电池充电电路

图3为电池充电电路，12V(DC)电压输入端连接的是通过直流电压转换电路转换24V(DC)电压后所得。U1A通过LM358芯片的第1、2、3、4、8脚工作，其中第8脚为电源端，第4脚接地。第8脚接12V(DC)电压输入端，用于供电，电容C1(0.1μF)的作用是滤波，一端接12V(DC)电压输入端，另一端接地。R2、R4是分压电阻，阻值分别是47.0、4.7kΩ，R2一端接12V(DC)电压输入端，另一端接R4，R4另一端接U1A的第3脚(正极输入端)；R9、R14是分压电阻，阻值都是47.0kΩ，R9一端连接U1A的第3脚，另一端与R14相连，R14的另一端接地。根据分压原理，由R2、R4、R9、R14的阻值计算出U1A的第3脚的电压值是6V(DC)。U1A的第2脚(负极输入端)接电阻R17(25.0kΩ)，R17另一端接电阻R18(4.7kΩ)，R18另一端接地；U1A的第2脚还连接电阻R12(50kΩ)，R12另一端接电阻R13(50kΩ)，R13另一端接充电电池P1的正极。U1A的第1脚为输出端，U1A的第1脚和第8脚之间连接正反馈上拉电阻R5(100kΩ)。U1A的第1脚接电阻R8(100kΩ)，R8另一端接1N4148二极管D8的正极，D8的负极接9013三极管Q2的基级；Q2的发射极接地。24V(DC)电压通过两个级联的1N4007二极管D1、D2与TIP42三极管Q1的基极相连，24V(DC)接D1的正极，D1的负极接D2的正极，D2的负极接Q1的基极。D2的负极和电阻R3(10.0Ω)相连，R3的另一端接Q2的集电极。R1是5Ω/2W水泥电阻，R1一端接电压24V(DC)输入端，另一端接Q1的集电极。Q1的发射极接10Ω/2W水泥电阻R6，R6另一端接1N5819二极管D10的正极，D10的负极接充电电池P1的正极。

图3 电池充电电路

24V(DC)电压接10A02二极管D9的正极，D9的负极为VCC引出端，为直流电压转换电路提供电源。D9的负极和10A02二极管D11的负极相连，D11的正极和充电电池P1的正极相连，充电电池的负极接地。

电池充电电路的工作原理是：24V(DC)电压输出端接D1、D2是为了降电压，用于保护Q1基级，由于一个二极管的降压能力不够，本电路将两个二极管串联，每个二极管降压值为二极管的导通电压0.7V。

R5是正反馈上拉电阻，防止LM358的第1脚输出的驱动能力不够，用以增加LM358的第1脚输出电压。R1和R6电阻功率较大，是为了在给电池充电时进行限流。电阻R2、R4、R12、R14与电阻R12、R13、R17、R18是起分电压作用的，R12和R14电阻串联是为了方便调节阻值。

通过二极管D9、D11隔离，电池P1与24V(DC)电压输出端隔离，通过这种电路设置，在直接使用连接220V(AC)电源时，由于24V(DC)输出电压会略高于电池正极的输出电压，因此只有24V(DC)电压输出端输出电流，而电池输出被D11阻断，能够避免和电池混用，防止电池电流回流。这种隔离电池的设计，也能够避免24V(DC)电压输出直充电池。在不使用220V(AC)电源时，电池作为电源供电。

U1A及其外围电路的作用是等到电池电压小于6V(DC)时才能给电池充电，否则不充电。R2、R4、R9、R14是分压电阻，根据分压原理得到6V(DC)电压，给U1A的第3脚提供参考电压；R12、R13、R17、R18也是分压电阻，根据分压原理得到5.5V(DC)电压(实际上由于阻值的精度和实际电压要高于24V(DC)，因此实际计算值可以近似认为是6V(DC))，给U1A的第2脚提供比较电压。

当电池电压小于24V(DC)时，迟滞比较器LM358的第1脚输出高电平，经过R5增强电压、R8的保护作用(限流)和D8的隔离后，使Q2导通。D8起到防止反向电压倒灌运算放大器的作用。Q2导通后，使Q1的基极降低电平，使Q1导通。Q1导通后，24V(DC)电源经过限流电阻R1和R6，在经过D10的保护隔离后，直接加到电池的正极上，这样就可以给电池充电了。D10是为了防止电池电压倒灌电源，电池电压加到Q1的集电极有可能对三极管造成损害。

4 直流电压转换电路

图4所示为直流电压转换电路，VCC引出端连接滤波电容C6(1μF)，C6的另一端接地。R21为1Ω电阻，R21一端接VCC端，另一端接S1D二极管D12的正极，D12负极接滤波电容C3(100nF)，C3另一端接地。D12负极连接U2的第2脚(电压输入端)，U2是LM25017降压转换芯片。U2的第2脚和第4脚(导通时间控制端)通过360kΩ电阻互连。U2的第2脚连接电解电容CE5(100μF/50V)的正极，CE5负极接地。D12负极连接360kΩ电阻R23，R23另一端接U2的第3脚(欠压比较器的输入端)和电阻R26(91kΩ)，R26的另一端接地，U2的第1脚(接地端)接地，U2的第7脚(自举电容器接脚)和第8脚(SW转换节点)通过10nF电容C2相连，U2的第8脚和100μH电感L1相连，L1另一端和12kΩ电阻R24相连，R24的另一端和U2的第5脚(反馈端)相连。U2的第6脚(内部电路稳压输出端)与1μF电容C7相连，C7的另一端接地。U2的第5脚与1.4kΩ电阻R25相连，R25的另一端接地。U2的第5脚与1nF电容C8相连，C8的另一端与L1和R24的连接点相连，该连接点的电压值为芯片的计算输出电压12V(DC)，12V(DC)连接电解电容CE4(100μF/25V)的正极，CE4负极接地。U3为LP2992AIM5-3.3芯片，用于把12V(DC)电压转换成3.3V(DC)电压。U3的第1脚(电压输入端)和第3脚(片选端)直接相连并连接L1和R24的连接点，第1脚连接电容C9(100nF)，C9的另一端接地。U3的第2脚(接地端)接地，U3的第4脚(旁路端)连接旁路电容C4(100nF)，C4的另一端接地，第5脚(电压输出端)输出的3.3V(DC)电压连接电解电容CE3(100μF/25V)的正极和电容C5(100nF)，CE3负极和C5的另一端接地。

U2的输出电压Vout的计算式为：

U2的第3脚UVLO是欠压比较器的输入端，当总线电压VBUS

可见，当U2的第3脚输入的电压小于6.07V时，芯片U2不工作。

采用降压稳压芯片将24V(DC)转换成12V(DC)和3.3V(DC)，提高了电源的工作效率和稳定性。

5 结束语

具有充电功能的交直流转换电路在实际应用中实现了交直流电路的转换，满足实际需求，解决了电池过充放电和市电不稳定的问题，使用方便，输入输出参数满足性能要求，对其他电器和电网没有影响。电路中避免使用大功率电阻或高电压稳压管，其他元件均为常用件，对耐压和功率基本没特殊要求。电路的过电流保护设计，避免了意外短路烧毁原件。电压转换电路的串联线性稳压，可输出较大电流。电路结构紧凑，布线简单，省去了复杂的电路变换，直接采用电阻分压检测相比较，功耗较低，而且电压使用范围比较宽，工作效率高和稳定性好，特别适用于需要稳压充电的小型电气设备上。

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DesignandImplementationofAC/DCConversionCircuitwithChargingFunction

WANG Qiang, LAN Zhi, XING Yang-hui, WANG Li
(NationalResearchCenterforRehabilitationTechnicalAids)

TH89

1000-3932(2017)04-0401-06

2016-07-28，