【正文】 品的充電器已經(jīng)占據(jù)了整個(gè)充電器市場(chǎng)份額的90%以上。 充電器的特點(diǎn)如今，隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，對(duì)高性能，小尺寸，重量輕的電池充電器的需求也越來越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求要實(shí)現(xiàn)快速安全的充電。因此需要對(duì)充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時(shí)間，達(dá)到最大的電池容量，并且防止電池?fù)p耗。同時(shí)，對(duì)充電電池的性能和工作壽命的要求也不斷地提高。目前各種電器使用的充電電池主要有鎳鎘電池，鎳氫電池，鋰電池和密封鉛酸電池四種類型。然而電池是一種化學(xué)電源，是通過能量轉(zhuǎn)換而獲得電能的器件。而可以反復(fù)使用的電池，它又稱為可充電電池或蓄電池。當(dāng)對(duì)充電電池充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，實(shí)現(xiàn)向負(fù)荷供電，伴隨吸熱過程。所以針對(duì)這些電池的特點(diǎn)，以單片機(jī)為控制芯片，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的各種充電技術(shù)和充電器設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)控制的智能充電器，以達(dá)到最佳的充電效果，使智能充電器具有良好的性能指標(biāo)，電路簡(jiǎn)單可靠。 充電器模式選擇恒流充電電流：要考慮電池的實(shí)際容量、內(nèi)阻、以及對(duì)充電時(shí)間的要求等多項(xiàng)因素，電流的大小決定著充電時(shí)間的長(zhǎng)短，使用小電流充電的好處是：有利于電池在使用較長(zhǎng)時(shí)間后，保證充電質(zhì)量，以及夏天充電時(shí)，使單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量降低，減少熱失控，有利于降低輸出功率，減少充電器的制造成本。但是過小的電流又會(huì)影響到充電的時(shí)間。 恒壓充電電壓：它是比恒流充電電流重要得多的參數(shù)，因?yàn)樗荒芟窈懔鞒潆婋娏髂菢?，在較寬范圍內(nèi)調(diào)整，確定這個(gè)參數(shù)首先需要兼顧被充電池的以下情況：電池在充電時(shí)，正極上的析氧速率與施加的充電電壓成正比，當(dāng)氧的析出大于還原時(shí)，產(chǎn)生水化；當(dāng)用戶使用中不能及時(shí)充電，會(huì)導(dǎo)致電池硫酸鹽化。提高充電電壓是解決硫酸鹽化的常用方法，但較大提高充電電壓又會(huì)產(chǎn)生失水。因此，在設(shè)計(jì)恒壓充電電壓時(shí)，同時(shí)要考慮抑制失水和抑制硫酸鹽化兩個(gè)問題。 涓流充電電流（恒功率充電電流）：以恒壓充電階段中，電流的變化為參數(shù)，當(dāng)電流小到某一設(shè)定值以下時(shí)，充電器切換到涓流充電階段，充電電流會(huì)隨著充電過程逐漸減小，當(dāng)小到一定程度，電流將會(huì)恒定，不再下降，此電流是與環(huán)境溫度高低及電池新舊程度有關(guān)的動(dòng)態(tài)值。因此從涓流充電開始定時(shí)，延時(shí)一定時(shí)間后停止涓流充電，以在保證電池充滿的前提下，從根本上杜絕電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生。本課題是在以上三種充電方式的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，結(jié)合這三種充電方式的特點(diǎn)，是在充電過程中不同階段采取不同充電方式的充電模式。 充電器的發(fā)展趨勢(shì) 充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段: （1）限流限壓式充電器最原始的就是限壓式充電，然后過渡到限流限壓式充電，它使用的方式就是淺充淺放，壽命較短。 （2）恒流/限壓式充電器 這是充電器發(fā)展的第二階段，這種模式的充電器占據(jù)了充電器市場(chǎng)近半個(gè)世紀(jì)。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。這種充電器充電電流總是低于電池的可接受能力，造成充電效率低，大大降低了電池的壽命。 （3）自適應(yīng)智能充電器 隨著大規(guī)模集成IC的出現(xiàn)，充電設(shè)備進(jìn)入了一個(gè)全新的自適應(yīng)、智能階段，即稱為第三代充電器。自適應(yīng)充電器遵循各類電池的充、放電規(guī)律進(jìn)行充、放電。并且具有溫度補(bǔ)償功能。充電系統(tǒng)由單片機(jī)控制，不斷檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，按模糊推理算法不斷調(diào)整充電參數(shù)，同一充電器可適應(yīng)不同種類電池的充電，充電器自適應(yīng)調(diào)整自己的輸出電流，無需人工選擇，避免操作失誤。采用單片機(jī)技術(shù)的智能充電器在我國(guó)的研究發(fā)展比較晚，因其體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、輸出紋波小、效率高等特點(diǎn)，近年來得到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究與關(guān)注，特別在通信、電力等領(lǐng)域中，己經(jīng)得到了普遍的研究與使用。 而國(guó)外市場(chǎng)大部分充電器均采用Wa、WaWo、Uamp。U等充電曲線方式，充電方式更科學(xué)、合理，從而大大提高了蓄電池的使用壽命，大大降低了使用和維護(hù)成本，簡(jiǎn)化了充電過程，解放了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，市場(chǎng)前景非常廣闊。 近年來，國(guó)內(nèi)外人士正致力于充電器的智能化研究，智能化程度較高的充電器解決了動(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受充電電流曲線的技術(shù)關(guān)鍵，使充電電流始終與可接受充電電流保持良好的匹配關(guān)系，使充電過程始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行，比常規(guī)充電模式可節(jié)約電能30%50%左右，提高了充電質(zhì)量和效率。 課題研究的目的和意義 課題研究的目的如今，隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，對(duì)高性能，小尺寸，重量輕的電池充電器的需求也越來越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求要實(shí)現(xiàn)快速安全的充電。因此需要對(duì)充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時(shí)間，達(dá)到最大的電池容量，并且防止電池?fù)p耗。同時(shí)，對(duì)充電電池的性能和工作壽命的要求也不斷地提高。然而電池是一種化學(xué)電源，是通過能量轉(zhuǎn)換而獲得電能的器件。而可以反復(fù)使用的電池，它又稱為可充電電池或蓄電池。當(dāng)對(duì)充電電池充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，實(shí)現(xiàn)向負(fù)荷供電，伴隨吸熱過程。 所以針對(duì)這些電池的特點(diǎn)，以單片機(jī)為控制芯片，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的各種充電技術(shù)和充電器設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)控制的充電器，以達(dá)到最佳的充電效果，使充電器具有良好的性能指標(biāo)，電路簡(jiǎn)單可靠。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,芯片體積小型化及其價(jià)格的降低，智能充電器大規(guī)模的批量生產(chǎn)已經(jīng)成為可能。而智能充電器具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是充電器家族中一個(gè)重要的組成部分，也是未來充電器發(fā)展的主要方向。因此，對(duì)充電器智能化的研究與應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。2 充電器的概述 充電電池的特性最近的十年、可充電式電池的性能在某些方面有所提高。只有正確地維護(hù)好電池的特性，才能充分發(fā)揮充電電池的優(yōu)勢(shì)。能為充電電池充電的電源有許多種。通常可充電式電池有三種常用的方法：①恒壓源；②恒流源；③恒功率源. 恒壓源的主要缺點(diǎn)在于當(dāng)電池電壓處于耗盡時(shí)開始充電時(shí)瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的沖擊電流，充電電流只流過內(nèi)部的阻抗。輸出特性關(guān)系如圖21(a)所示。當(dāng)電池電壓處于耗盡時(shí)開始充電，采用電流源能解決這個(gè)問題，但當(dāng)不接負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電流為無窮大，因此不能依靠新的輸出電壓來給電池充電。輸出特性關(guān)系如圖21(b)所示： 恒功率源往往沒有類似的缺點(diǎn)，它即可看作恒壓源的電流，又可看作恒流源的電壓。輸出特性關(guān)系如圖21(c)所示。 a b c 圖21 充電電池的典型輸出特性曲線圖（a） 恒壓源；（b）恒流源；（c）恒功率源充電電池最好的輸出特性似乎是結(jié)合了恒壓源和恒流源的特性。在另一方面，許多適當(dāng)?shù)某潆娞匦愿呌诰哂泻懔髟从须妷合拗苹蚝銐涸从须妷合拗频奶匦?。理想的電池充電特件最好具有矩形特性，如圖22所示。給電池充電最好的方式是使用高效率的開關(guān)電源架構(gòu)，開關(guān)電源具有體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。圖22 理想的矩形充電電池特性 開關(guān)電源開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已以為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。近20多年來，集成開關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一個(gè)方向是對(duì)開關(guān)電源的核心單元——控制電路實(shí)現(xiàn)集成化；第二個(gè)方向則是對(duì)中、小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。開關(guān)電源具有體積小、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各類電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖23所示，其中DC/DC變換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有啟動(dòng)、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路（RR2）檢測(cè)輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓Ur比較，誤差電壓放大及脈寬調(diào)制（PWM），再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。開關(guān)電源的核心部分DC/DC變換器有多種電路形式，常用的工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振型變換器。對(duì)于串聯(lián)性穩(wěn)壓源，輸出對(duì)輸入的瞬態(tài)響應(yīng)特性主要由調(diào)整管的頻率特性決定。但對(duì)于開關(guān)電源，輸入的瞬態(tài)變化比較多地表現(xiàn)在輸出端。調(diào)高開關(guān)頻率的同時(shí)，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)問題也能得到改善。負(fù)載變化瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端LC濾波器特性決定，所以可以利用調(diào)高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器LC體積的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。圖23 開關(guān)電源的基本構(gòu)成方框圖3 充電器的總體設(shè)計(jì) 充電器實(shí)現(xiàn)的功能及技術(shù)指標(biāo)(1) 充電保護(hù)：在充電過程中，能夠自行調(diào)節(jié)輸出電流及電壓，保證充電電壓在44V左右；(2) 充電顯示：通過LED燈的閃爍，能夠顯示當(dāng)前的充電狀態(tài)；(3) 技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓是90264V （AC）；輸出電壓是44V/；效率是86%；輸出特性是恒壓、恒流輸出，近似于矩形輸出特性。 充電器控制電路設(shè)計(jì)根據(jù)要求和技術(shù)指標(biāo)，本設(shè)計(jì)研究的充電器主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過程的保護(hù)，充電狀態(tài)顯示，本充電器的設(shè)計(jì)包含五部分，即電源電路、輸出整流濾波與隔離電路、檢測(cè)控制電路及充電狀態(tài)指示電路。充電器控制原理方框圖如圖31所示檢測(cè)控制電路 電源電路充電狀態(tài)指示電路輸出整流濾波與隔離電路 電池 圖31 充電器控制原理方框圖 硬件電路的設(shè)計(jì) 電源電路 電源電路是由EMI抑制電路、橋式整流及濾波電路組成（圖31）。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中，常見的整流電路有單相半波、全波、橋式整流電路等。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電感、電容組合而成的各種復(fù)式濾波電路。該電路是將市電220V由輸入端輸入，經(jīng)D1D4橋式整流變成脈動(dòng)直流，再經(jīng)C2濾波將脈動(dòng)直流轉(zhuǎn)換成直流電壓。圖31 電源電路圖 EMI抑制電路 我們知道之所以會(huì)產(chǎn)生EMI干擾，是因?yàn)樵陂_關(guān)電源中，電壓和電流的突變。即高dv/dt和di/dt、是其EMI產(chǎn)生的主要原因。實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)技術(shù)措施主要基于兩點(diǎn)： (1)盡量減小電源本身所產(chǎn)生的干擾源，利用抑制干擾的方法或產(chǎn)生干擾較小的元器件和電路，并進(jìn)行合理布局。 (2)通過接地、濾波、屏蔽等技術(shù)抑制電源的EMI以及提高電源的EMS。 開關(guān)電源的EMI干擾源集少體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對(duì)開關(guān)電源的干擾主要來自電網(wǎng)的抖動(dòng)、雷擊、外界輻射等。 (1)功率開關(guān)管。功率開關(guān)管工作在OnOff快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，dv/dt和di/dt都在急劇變換，因此，功率開關(guān)管既是電場(chǎng)耦合的主要干擾源，也是磁場(chǎng)耦合的主要干擾源。 (2)高頻變壓器。高頻變壓器的EMI來源集中體現(xiàn)在漏感對(duì)應(yīng)的di/dt快速循環(huán)變換，因此高頻變壓器是磁場(chǎng)耦合的重要干擾源。 (3)整流二極管。整流二極管的EMI來源集個(gè)體現(xiàn)在反向恢復(fù)特性上。反向恢復(fù)電流的斷續(xù)點(diǎn)會(huì)在電感(引線電感、雜散電感等)產(chǎn)生高dv/dt．從而導(dǎo)致強(qiáng)電磁干擾。 (4)PCB布線。準(zhǔn)確的說，PCB是上述干擾源的耦合通道，PCB布線的優(yōu)劣直接對(duì)應(yīng)著對(duì)上述EMI源抑制的好壞。從EMl產(chǎn)生的機(jī)理來分析，僅僅是簡(jiǎn)單地將電容從電路個(gè)移除或減小其數(shù)值一般情況不太可行，因?yàn)檫@樣做會(huì)顯著增加EMI。而在電路中增加共模扼流圈或其他濾波元件又會(huì)增加成本。因此，我們必須將注意力集中到如何降低EMI電流上。 目前已有一些減小共模EMI電流的方法。盡管在變壓器繞線層之間使用帶狀物增加線層間距離可以減小層間電容，但單獨(dú)使用這一方法只能很有限地減小EMI電流。長(zhǎng)期以來也在工頻變壓器中一直應(yīng)用屏蔽繞組來降低噪聲與耦合，在開關(guān)變壓器中這一方法同樣有效。在開關(guān)變壓器中使用屏蔽繞組是降低共模EMI電流最合效的方法，而且對(duì)電源總體成本的影響最小。在這里我們采用交流輸入