- 開關型免維護鉛酸蓄電池智能充電器的設計
- 利用UC3823PWM控制器
- 采用直接耦合P溝道MOSFET
在正常的使用條件下， 采用適當的浮充電壓，免維護鉛酸蓄電池的浮充壽命可達10年以上， 如果浮充電壓偏差5%則使用壽命縮短1 /2.研究發現，在充電過程中蓄電池會產生極化電壓， 使蓄電池端電壓升高， 同時由于內部極化電阻隨著充電時間的增加而增大， 反過來阻礙蓄電池的繼續充電， 因此， 由極化電阻產生極化電壓是影響充電效率的重要原因， 而采用開關充電方式可以有效地消除極化現象， 提高充電效率。
1 UC3906的結構及工作原理。
UC3906內部框圖如圖1所示，該芯片內含有獨立的電壓控制電路和限流放大器， 它可以控制芯片內的驅動器， 驅動器提供的輸出電流達25 mA, 可直接驅動外部串聯的調整管， 從而調整充電器的輸出電壓與電流。電壓和電流檢測比較器檢測蓄電池的充電狀態， 并控制狀態邏輯電路的輸入信號。
圖1 UC3906內部結構框圖
當蓄電池電壓或電流過低時， 充電起動比較器控制充電器進入涓流充電狀態， 當驅動器截止時，該比較器還能輸出25 mA涓流充電電流。這樣， 當蓄電池短路或反接時， 充電器只能以小電流充電，避免了因充電電流過大而損壞蓄電池。
蓄電池的電壓與環境溫度有關， 溫度每升高1 ℃， 蓄電池單格電壓下降4 mV, 也就是說蓄電池的浮充電壓有負的溫度系數- 4 mV/℃。普通充電器如果在25 ℃處于最佳工作狀態， 在環境溫度為0 ℃就會充電不足， 而在溫度為45 ℃時可能因嚴重過充電而縮短蓄電池的使用壽命。而UC3906的最重要的特性是具有精確的基準電壓， 其基準電壓的大小隨環境溫度而變化， 且變化規律與鉛酸蓄電池的溫度特性一致。同時芯片只需1.7 mA的輸入電流就可工作， 這樣可以盡量減小芯片的功耗， 實現對環境溫度的準確檢測。在0~70 ℃溫度范圍內可以保證蓄電池既充足電又不會出現過充電現象， 完全滿足蓄電池充電需要。
UC3906可構成雙電平浮充充電器， 充電過程分為3個充電狀態， 如圖2所示： 大電流恒流充電狀態， 高電壓過充電狀態和低電壓恒壓浮充狀態。
圖2 雙電平浮充充電狀態曲線
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充電過程從大電流恒流充電狀態開始， 在這種狀態下充電器輸出恒定的充電電流Imax, 同時充電器連續監控蓄電池組的兩端電壓， 當蓄電池的電壓達到轉換電壓U12時， 其電量已恢復到放電容量的70%~90%, 充電器轉入過充電狀態。在此狀態下， 充電器輸出電壓升高到Uoc; 由于充電器輸出電壓保持恒定不變， 所以充電電流連續下降， 當電流下降到Ioct時， 蓄電池的容量已達到額定容量的100% ,充電器輸出電壓下降到較低的浮充電壓UF.
2 電路設計。
對于較大容量的鉛酸蓄電池， 為了提高充電效率， 通常選用開關型充電器。設計的24V20Ah鉛酸蓄電池開關型充電器實際電路見圖3, 在該電路中，用兩只專用集成電路UC3906與UC3823和一只通用運放即可完成全部控制功能。充電器主電路由功率MOSFET （ IRF9503） 、續流二極管（ UES2402） 和濾波電感（ 130 μH） 等元件組成。
圖3 24 V 20 Ah鉛酸蓄電池開關型雙電平浮充智能充電器電路圖
2.1 電壓電流控制回路與電池充電邏輯狀態電路
對小容量蓄電池充電器可采用線性串聯調整管來控制充電電流， 而對于開關型充電器， UC3906鉛酸蓄電池充電控制集成電路具有充電電壓控制和充電邏輯狀態控制的功能， 并能提供充電的溫度補償控制功能。
蓄電池兩端的分壓電阻監控蓄電池電壓， 分壓電阻的阻值確定浮充電壓、過充電壓和涓流充電門限電壓。差動電流取樣比較器產生過充電狀態的轉換信號， 電壓放大器放大補償電壓回路的信號。
在溫度為25 ℃， Uref值為2.3 V時：
過充電壓：
浮充電壓：
過充轉換電壓：U12=0.95Uoc=28.03 V
浮充轉換電壓：U13=0.9UF=24.8 V
最大充電電流：
過充終止電流：
2.2 開關型電流源控制回路
輸入電壓（ 35 /50 V） 經10 kΩ電阻與1N4744穩壓管組成的穩壓電路穩壓后， 又經TIP31晶體管射隨器輸出+14 V電壓， 作為控制電路的電源電壓。
PWM頻率設定為100 kHz, 以減小輸出濾波器的體積， 蓄電池充電電流從0.1 Ω/5 W電阻上取樣， 差動放大增益為5。
開關型電流源控制回路的性能對充電狀態控制轉換有很大的影響， 在大電流快速充電狀態下， 充電器要能提供最大的充電電流； 在浮充狀態下， 充電器輸出電流很小。因此， 充電器電流控制回路的增益變化范圍應大于60 db, 采用普通的峰值電流反饋很難滿足要求， 24 V20 Ah鉛酸蓄電池開關型充電器采用平均電流反饋回路見圖4.它比峰值電流反饋控制相對復雜， 利用平均電流反饋控制回路可以使充電器電路在以下幾方面有所改進： ①由于誤差放大在較低工作頻率范圍內的高增益， 從而使閉環電流的控制精度得到了提高； ②在大電流充電的工作狀態下， 當電感電流不連續時， 可以改善大電流輸出級的非線性； ③可以提高充電器電路在很小的脈沖占空比工作條件下的抗開關峰值噪聲的能力。
圖4 平均電流反饋電路圖
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電流控制回路選用UC3823PWM控制器， 因為它在非常小的脈沖占空比到100%的脈沖占空比的變化范圍內能夠線性工作； UC3823PWM控制器的帶寬和電路結構完全滿足平均電流控制回路的要求； UC3823PWM控制器輸出驅動級與開關電流源輸出功率級連接簡單。運放當作差動放大器使用，用以檢測開關電流源的輸出電流， 并把該電流信號變換為適當的電壓信號。
2.3 功率輸出級
功率輸出級采用降壓式開關電流源。為了簡化UC3823的高端驅動電路， 輸出開關管采用直接耦合P溝道MOSFET.流入MOSFET的開關電流提供柵極電荷， 使MOSFET導通， 接在柵極與源極的穩壓管將柵極電壓限制在12 V.PNP管的作用是釋放柵極電荷， 從而使MOSFET加速關斷。在續流二極管兩端加入RC緩沖器， 可以抑制電路寄生參數引起的高頻自激振蕩。在輸出電路中加入整流管， 可以避免在電源中斷后蓄電池組對充電器放電。
3 結論
1） UC3906內部基準電壓的溫度系數與鉛酸蓄電池的溫度系數相同， 從而保證了蓄電池在較寬的溫度范圍內實現蓄電池的精確快速充電， 且不會過充影響蓄電池壽命。
2） UC3823PWM控制器在非常小的脈沖占空比到100%的脈沖占空比的變化范圍內能夠線性工作；UC3823PWM控制器的帶寬和電路結構完全滿足平均電流控制回路的要求。
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