【正文】 ........................................................................................................10 充電電池的特性 .................................................................................................10 開關(guān)電源 ........................................................................................................... 11 3 充電器的總體設計 .....................................................................................................13 充電器實現(xiàn)的功能及技術(shù)指標 ..........................................................................13 充電器控制電路設計 ........................................................................................13 硬件電路的設計 ...............................................................................................14 電源電路 ..................................................................................................14 輸出電壓電流檢測控制電路 ....................................................................23 輸出整流濾波與隔離電路的設計 .............................................................29 電池電壓狀態(tài)顯示電路 ...........................................................................33 總體電路的設計及工作原理 ....................................................................34 4 總結(jié) ..........................................................................................................................36 5 技術(shù)經(jīng)濟分析報告 .....................................................................................................37 致謝 ................................................................................................................................39 參考文獻 .........................................................................................................................40 6 1 緒論 課題背景及意義 充電器概念和國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 充電器通常指的是一種將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的設備。充電器在各個領(lǐng)域用途廣泛，特別是生活領(lǐng)域被廣泛用于手機，相機等常見電器。充電器是采用電力電子半導體器件，將電壓和頻率固定不變的交流電變換為直流電的一種靜止變流裝置。在以蓄電池為工作電源或備 用電源的用電場合，充電器具有廣泛的應用前景。 充電器有很多，如鉛酸蓄電池充電器、閥控密封鉛酸蓄電池的測試與監(jiān)測、鎘鎳電池充電器、鎳氫電池充電器、鋰離子電池充電器、便攜式電子設備鋰離子電池充電器、鋰離子電池保護電路多功能充電器、電動車蓄電池充電器等。 充電器的用途十分廣泛，許多數(shù)碼產(chǎn)品如手機、數(shù)碼相機等都配有充電器，除了數(shù)碼產(chǎn)品以外，在我國普遍使用的 一些交通工具 也配有充電器。最近幾年，伴隨著電子產(chǎn)品在我國市場的熱銷，我國充電器行業(yè)得到了迅速的發(fā)展。根據(jù)調(diào)查研究，在我國的充電器市場上手機、數(shù)碼相機、筆記 本電腦、電動自行車這四種產(chǎn)品的充電器已經(jīng)占據(jù)了整個充電器市場份額的 90%以上。 充電器的特點 如今，隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，對高性能，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)進步也要求要實現(xiàn)快速安全的充電。因此需要對充電過程進行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時間，達到最大的電池容量，并且防止電池損耗。同時，對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電源，是通過能量轉(zhuǎn)換而獲 得電能的器件。而可以反復使用的電池，它又稱為可充電電池或蓄電池。當對充電電池充電時，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能，實現(xiàn)向負荷供電，伴隨吸熱過程。 7 所以針對這些電池的特點，以單片機為控制芯片，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)行的各種充電技術(shù)和充電器設計方案，設計一款基于單片機控制的智能充電器，以達到最佳的充電效果，使智能充電器具有良好的性能指標，電路簡單可靠。 充電器模式選擇 恒流充電電流：要考慮電池的實際容量、內(nèi)阻、以及對充電時間的要求等多項因素，電流的大小決定著充電時間的長短，使用小電流充電的好處是：有利于電池在使用較長時間 后，保證充電質(zhì)量，以及夏天充電時，使單位時間內(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影響到充電的時間。 恒壓充電電壓：它是比恒流充電電流重要得多的參數(shù)，因為它不能像恒流充電電流那樣，在較寬范圍內(nèi)調(diào)整，確定這個參數(shù)首先需要兼顧被充電池的以下情況：電池在充電時，正極上的析氧速率與施加的充電電壓成正比，當氧的析出大于還原時，產(chǎn)生水化；當用戶使用中不能及時充電，會導致電池硫酸鹽化。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產(chǎn)生失水。因此， 在設計恒壓充電電壓時，同時要考慮抑制失水和抑制硫酸鹽化兩個問題。 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)，當電流小到某一設定值以下時，充電器切換到涓流充電階段，充電電流會隨著充電過程逐漸減小，當小到一定程度，電流將會恒定，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)的動態(tài)值。因此從涓流充電開始定時，延時一定時間后停止涓流充電，以在保證電池充滿的前提下，從根本上杜絕電池熱失控的發(fā)生。 本課題是在以上三種充電方式的基礎上加以改進，結(jié)合這三種充電方式的特點，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 充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段 : （ 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 8 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)了充電器市場近半個世紀。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，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）自適應智能充電器 隨著大規(guī)模集成 IC 的出現(xiàn)，充電設備進入了一個全新的自適應、智能階段，即稱為第三代充電器。自適應充電器遵循各類電池的充、放電規(guī)律進行充、放電。并且具有溫度補償功能。充電系統(tǒng)由單片機控制，不斷檢測系統(tǒng)參數(shù)，按模糊推理算法不斷調(diào)整充電參數(shù)，同一充電器可適應不同種類電池的充電，充電器自適應調(diào)整自己的輸出電流，無需人工選擇，避免操作失誤。 采用單片機技術(shù)的智能充電器在我國的研究發(fā)展比較晚，因其體積小、動態(tài) 響應 速度快、輸出紋波小、效率高等特點，近年來得到國內(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。 而國外市場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、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成本，簡化了充電過程，解放了操作人員的勞動強度，市場前景非常廣闊。 近年來，國內(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)進步也要求要實現(xiàn)快速安全的充電。因此需要對充電過程進行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時間，達到最大的電池 9 容量，并且防止電池損耗。同時，對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電源，是通過能量轉(zhuǎn)換而獲得電能的器件。而可以反復使用的電池，它又稱為可充電電池或蓄電池。當對充電電池充電時，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能，實現(xiàn)向負荷 供電，伴隨吸熱過程。 所以針對這些電池的特點，以單片機為控制芯片，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)行的各種充電技術(shù)和充電器設計方案，設計一款基于單片機控制的充電器，以達到最佳的充電效果，使充電器具有良好的性能指標，電路簡單可靠。 課題研究的意義 隨著電子技術(shù)的發(fā)展 ,芯片體積小型化及其價格的降低，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單、可靠性高和通用性強等優(yōu)點，是充電器家族中一個重要的組成部分，也是未來充電器發(fā)展的主要方向。因此，對充電器智能化的研究與應用具有深遠的現(xiàn)實意義。 10 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。只有正確地維護好電池的特性，才能充分發(fā)揮充電電池的優(yōu)勢。能為充電電池充電的電源有許多種。通?？沙潆娛诫姵赜腥N常用的方法：①恒壓源；②恒流源；③恒功率源 . 恒壓源的主要缺點在于當電池電壓處于耗盡時開始充電時瞬間會產(chǎn)生一個大的沖擊電流，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。 當電池電壓處于耗盡時開始充電，采用電流源能解決這個問題，但當不接負載時產(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，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?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?特性。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，動態(tài)響應快，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。 11 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)電源沿著下述兩個方向不斷發(fā)展。第一個方向是對開關(guān)電源的核心單元 —— 控制電路實現(xiàn)集成化；第二個方向則是對中、小功率開關(guān)電源實現(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，在各類電子產(chǎn)品 中得到廣泛應用。 開關(guān)電源采用功率半導體器件作為開關(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變換器進行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有啟動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路（ R R2）檢測輸出電壓變化，與基準電壓Ur 比較，誤差電壓放大及脈寬調(diào)制（ PWM），再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而達到調(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 波形為準正弦波的諧振型變換器。 對于串聯(lián)性穩(wěn)壓源，輸出對輸入的瞬態(tài)響應特性主要由調(diào)整管的頻率特性決定。但對于開關(guān)電源，輸入的瞬態(tài)變化比