低成本、高可靠性電動自行車充電器制作

根據(jù)電動自行車鉛酸蓄電池的特點，當(dāng)其為36V/12AH時，采用限壓恒流充電方式，初始充電電流最大不宜超過3A。也就是說，充電器輸出最大達到43V/3A/129W，已經(jīng)可滿足。在充電過程中，充電電流還將逐漸降低。以目前開關(guān)電源技術(shù)和開關(guān)管生產(chǎn)水平而言，單端開關(guān)穩(wěn)壓器輸出功率的極限值已提高到180W，甚至更大。輸出功率為150W以下的單端它激式開關(guān)穩(wěn)壓器，其可靠性已達到極高的程度。MOSFET開關(guān)管的應(yīng)用，成功地解決了開關(guān)管二次擊穿的難題，使開關(guān)電源的可靠性更上一層樓。

目前，應(yīng)用最廣的、也是最早的可直接驅(qū)動MOSFET開關(guān)管的單端驅(qū)動器為UC3842。UC3842在穩(wěn)定輸出電壓的同時，還具有負載電流控制功能，因而常稱其為電流控制型開關(guān)電源驅(qū)動器，無疑用于充電器此功能具有獨特的優(yōu)勢，只用極少的外圍元件即可實現(xiàn)恒壓輸出，同時還能控制充電電流。尤其是UC3842可直接驅(qū)動MOSFET管的特點，可以使充電器的可靠性大幅提高。由于UC3842的應(yīng)用極廣，本文只介紹其特點。

UC3842為雙列8腳單端輸出的它激式開關(guān)電源驅(qū)動集成電路，其內(nèi)部功能包括：基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器、誤差放大器、脈沖寬度比較器、鎖存器、振蕩器、脈寬調(diào)制器(pWM)、脈沖輸出驅(qū)動級等等。UC3842的同類產(chǎn)品較多，其中可互換的有MC3842、IR3842N、SG3842、CM3842(國產(chǎn))、LM3842等。UC3842內(nèi)部方框圖見圖。其特點如下：

單端pWM脈沖輸出，輸出驅(qū)動電流為200mA，峰值電流可達1A。

啟動電壓大于16V，啟動電流僅1mA即可進入工作狀態(tài)。進入工作狀態(tài)后，工作電壓在10～34V之間，負載電流為15mA。超過正常工作電壓，開關(guān)電源進入欠電壓或過電壓保護狀態(tài)，此時集成電路無驅(qū)動脈沖輸出。

內(nèi)設(shè)5V/50mA基準(zhǔn)電壓源，經(jīng)2:1分壓作為取樣基準(zhǔn)電壓。

輸出的驅(qū)動脈沖既可驅(qū)動雙極型晶體管，也可驅(qū)動MOS場效應(yīng)管。若驅(qū)動雙極型晶體管，宜在開關(guān)管的基極接入RC截止加速電路，同時將振蕩器的頻率限制在40kHz以下。若驅(qū)動MOS場效應(yīng)管，振蕩頻率由外接RC電路設(shè)定，工作頻率最高可達500kHz。

內(nèi)設(shè)過流保護輸入(第3腳)和誤差放大輸入(第1腳)兩個脈沖調(diào)制(pWM)控制端。誤差放大器輸入端構(gòu)成主脈寬調(diào)制(pWM)控制系統(tǒng)，過流檢測輸入可對脈沖進行逐個控制，直接控制每個周期的脈寬，使輸出電壓調(diào)整率達到0.01%/V。如果第3腳電壓大于1V或第1腳電壓小于1V，脈寬調(diào)制比較器輸出高電平使鎖存器復(fù)位，直到下一個脈沖到來時才重新置位。如果利用第1、3腳的電平關(guān)系，在外電路控制鎖存器的開/閉，使鎖存器每個周期只輸出一次觸發(fā)脈沖，無疑使電路的抗干擾性增強，開關(guān)管不會誤觸發(fā)，可靠性將得以提高。

內(nèi)部振蕩器的頻率由第4、8腳外接電阻和電容器設(shè)定。同時，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓通過第4腳引入外同步。第4、8腳外接電阻、電容器構(gòu)成定時電路，電容器的充/放電過程構(gòu)成一個振蕩周期。當(dāng)電阻的設(shè)定值大于5kΩ時，電容器的充電時間遠大于放電時間，其振蕩頻率可根據(jù)公式近似得出：f=1/Tc=1/0.55RC=1.8/RC。

由UC3842組成的輸出功率可達120W的鉛酸蓄電池充電器如圖2所示。該充電器中只有開關(guān)頻率部分為熱地，MC3842組成的驅(qū)動控制系統(tǒng)和開關(guān)電源輸出充電部分均為冷地，兩種接地電路由輸入、輸出變壓器進行隔離，變壓器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且很容易實現(xiàn)初次級交流2000V的抗電強度。該充電器輸出端電壓設(shè)定為43V/1.8A，如有需要可將電流調(diào)定為3A，用于對容量較大的鉛酸蓄電池充電(如用于對容量為30AH的蓄電池充電)。

市電輸入經(jīng)橋式整流后，形成約300V直流電壓，因而對此整流濾波電路的要求與通常有所不同。對蓄電池充電器來說，橋式整流的100Hz脈動電流沒必要濾除干凈，嚴格說100Hz的脈動電流對蓄電池充電不僅無害，反而有利，在一定程度上可起到脈沖充電的效果，使充電過程中蓄電池的化學(xué)反應(yīng)有緩沖的機會，防止連續(xù)大電流充電形成的極板硫化現(xiàn)象。雖然1.8A的初始充電電流大于蓄電池額定容量C的1/10，間歇的大電流也使蓄電池的溫升得以緩解。因此，該濾波電路的C905選用47μF/400V的電解電容器，其作用不足以使整流器120W的負載中紋波濾除干凈，而只降低整流電源的輸出阻抗，以減小開關(guān)電路脈沖在供電電路中的損耗。C905的容量減小，使得該整流器在滿負載時輸出電壓降低為280V左右。

U903按MC3842的典型應(yīng)用電路作為單端輸出驅(qū)動器，其各引腳作用及外圍元件選擇原則如下:

第1腳為內(nèi)部誤差放大器輸出端。誤差電壓在IC內(nèi)部經(jīng)D1、D2電平移位，R1、R2分壓后，送入電流控制比較器的反向輸入端，控制pWM鎖存器。當(dāng)1腳為低電平時，鎖存器復(fù)位，關(guān)閉驅(qū)動脈沖輸出，直到下一個振蕩周期開始才重新置位，恢復(fù)脈沖輸出。外電路接入R913(10kΩ)、C913(0.1μF)，用以校正放大器頻率和相位特性。

第2腳內(nèi)部誤差放大器反相輸入端。充電器正常充電時，最高輸出電壓為43V。外電路由R934(16kΩ)、VR902(470Ω)、R904(1kΩ)分壓后，得到2.5V的取樣電壓，與誤差放大器同相輸入端的2.5V基準(zhǔn)電壓比較，檢出差值，通過輸出脈沖占空比的控制使輸出電壓限定在43V。在調(diào)整此電壓時，可使充電器空載。調(diào)整VR902，可使正負輸出端電壓為43V。

第3腳為充電電流控制端。在第2腳設(shè)定的輸出電壓范圍內(nèi)，通過R902對充電電流進行控制，第3腳的動作閾值為1V，在R902壓降1V以內(nèi)，通過內(nèi)部比較器控制輸出電壓變化，實現(xiàn)恒流充電。恒流值為1.8A，R902選用0.56Ω/3W。在充電電壓被限定為43V時，可通過輸出電壓調(diào)整充電電流為恒定的1.75A～1.8A。蓄電池充滿電，端電壓≥43V，隔離二極管D908截止，R902中無電流，第3腳電壓為0V，恒流控制無效，由第2腳取樣電壓控制充電電壓不超過43V。此時若充滿電，在未斷電的情況下，將形成43V電壓的涓流充電，使蓄電池電壓保持在43V。為了防止過充電，36V鉛酸蓄電池的此電壓上限不宜使電池單元電壓超過2.38V。該電路雖為蓄電池取樣，實際上也限制了輸出電壓，如輸出電壓超過蓄電池電壓0.6V，蓄電池電壓也隨之升高，送入電壓取樣電路使之降低。

第4腳外接振蕩器定時元件，CT為2200pF，RT為27kΩ，R911為10Ω。該例中考慮到高頻磁芯購買困難，將頻率設(shè)定為30kHz左右。R911用于外同步，該電路中可不用。

第5腳為共地端。

第6腳為驅(qū)動脈沖輸出端。為了實現(xiàn)與市電隔離，由T902驅(qū)動開關(guān)管。T902可用5×5mm磁芯，初次級繞組各用0.21mm漆包線繞20匝，繞組間用2×0.05mm聚脂薄膜絕緣。R909為100Ω，R907為10kΩ。如果Q901內(nèi)部柵源極無保護二極管，可在外電路并入一只10～15V穩(wěn)壓管。

第7腳為供電端。為了省去獨立供電電路，該電路中由蓄電池端電壓降壓供電，供電電壓為18V。當(dāng)待充蓄電池接入時，最低電壓在32.4V～35V之間，接入18V穩(wěn)壓管均可得到18V的穩(wěn)定電壓。濾波電容器C909為100μF。

第8腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，同時在IC內(nèi)部經(jīng)R3、R4分壓為2.5V，作為誤差檢測基準(zhǔn)電壓。

充電器的脈沖變壓器T901可用市售芯柱圓形、直徑Φ12mm的磁芯(芯柱對接處已設(shè)有1mm的氣隙)。初級繞組用0.64mm高強度漆包線繞82匝，次級繞組用0.64mm高強度漆包線雙線并繞50匝。初次級之間需墊入3層聚脂薄膜。

該充電器的控制驅(qū)動系統(tǒng)和次級充電系統(tǒng)均與市電隔離，且MC3842由待充蓄電池電壓供電，無產(chǎn)生超壓、過流的可能，而T901次級僅有的幾只元器件，只要選擇合格，擊穿的可能性也幾乎為零，因此其可靠性極高。此部分的二極管D911可選擇共陰或共陽極，將肖特基二極管并聯(lián)應(yīng)用。D908可選用額定電流5A的普通二極管。次級整流電路濾波電容器選用220μF已足夠，以使初始充電電流較大時具有一定的紋波，而起到脈沖充電的作用。

該充電器電路極為簡單，然而可靠性卻較高，其原因是：MC3842屬逐周控制振蕩器，在開關(guān)管的每個導(dǎo)通周期進行電壓和電流的控制，一旦負載過流，D911漏電擊穿；若蓄電池端子短路，第3腳電壓必將高于1V，驅(qū)動脈沖將立即停止輸出；若第2腳取樣電壓由于輸出電壓升高超過2.5V，則使第1腳電壓低于1V，驅(qū)動脈沖也將被關(guān)斷。多年來，MC3942被廣泛用于電腦顯示器開關(guān)電源驅(qū)動器，無論任何情況下(其本身損壞或外圍元件故障)，都不會引起輸出電壓升高，只是無輸出或輸出電壓降低，此特點使開關(guān)電源的負載電路極其安全。在該充電器中MC3842及其外電路都與市電輸入部分無關(guān)，加之用蓄電池電壓經(jīng)降壓、穩(wěn)壓后對其供電，使其故障率幾乎為零。

該充電器中唯一與市電輸入有關(guān)的電路是T901初級和T902次級之間的開關(guān)電路，常見開關(guān)管損壞的原因無非兩方面：一是采用雙極型開關(guān)管時，由于溫度升高導(dǎo)致熱擊穿。這點對Q901的負溫度系數(shù)特性來說是不存在的，場效應(yīng)管的漏源極導(dǎo)通的電阻特性本身具有平衡其導(dǎo)通電流的能力。此外，由于開關(guān)管的反壓過高，當(dāng)開關(guān)管截止時，反向脈沖的尖峰極易擊穿開關(guān)管。為此，該電路中通過減小C905的容量，以在開關(guān)管導(dǎo)通的大電流狀態(tài)下適當(dāng)降低整流電壓。二是采用中心柱為圓型的鐵氧體磁芯，其漏感相對小于矩形截面磁芯，而且氣隙預(yù)留于中心柱，而不在兩側(cè)旁柱上，進一步減小了漏感。在此條件下選用VDS較高的開關(guān)管是比較安全的。圖2中Q901為2SK1539，其VDS為900V，IDS為10A，功率為150W。也可以用規(guī)格近似的其它型號MOSFET管代用。如果擔(dān)心尖峰脈沖擊穿開關(guān)管，可以在T901的初級接入通常的C、D、R吸收回路。

由于該充電器的初始充電電流、最高充電電壓設(shè)計均在較低值，且充滿電后涓流充電電流極小，基本可以認為是定時充電。如一只12AH的鉛酸蓄電池，7小時即可充滿電，且充滿電后，是否斷電對蓄電池、充電器影響均極小。試用中，晚上8點接入電源充電，第二天早7點斷電，手摸蓄電池、充電器的外殼溫度均未超過室溫。