【正文】 電電流間的轉(zhuǎn)換，都分別受有溫度補償?shù)霓D(zhuǎn)換電壓 Vmin（快充最低允 許電壓）、 Vbik（快充終止電壓）和Vflt（浮充電壓）控制。本文通過四部分電路的設(shè)計來實現(xiàn)充電器的功能，即電源電路、振蕩電路、保護電路和充電狀態(tài)指示電路。 設(shè)計中主要以模擬器件為核心設(shè)計并制作了充電電路。其間用到了精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓源及四運放集成電路等重要元件。 本設(shè)計是利用普通常用的元器件實現(xiàn)電動車的充電功能。 ② 采用整流穩(wěn)壓電路， 2 以實現(xiàn)安全充電，其常用的器件在實現(xiàn)快速充電的同時又加以保護電路，以保證元器件的性能。 系統(tǒng) 總體 的設(shè)計 3 第 二 章 系統(tǒng)總體的設(shè)計 系統(tǒng)實現(xiàn)功能及技術(shù)指標(biāo) （ 1） 充電保護： 在充電過程中，能夠 自行調(diào)節(jié)輸出電流及電壓，保證充電電電壓在 44V 左右。 （ 3） 電壓參數(shù)： 22V 交流轉(zhuǎn)換成 44V 直流。但要對方案的性能、成本、體積、難易程度等進行分析與比較，本著以滿足功能要求為前提，綜合考慮，確定方案。 結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 下面將講述設(shè)計中一些重要器件的應(yīng)用特性及其選擇原因。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具 有很高電阻的半導(dǎo)體器件。穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的。 圖 (1) 穩(wěn)壓管工作原理 穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，它是利用 PN 結(jié)的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來工作的。把這種類型的二極管稱為穩(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向?qū)щ妶龊系亩O管。這樣，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動， 或其它原因造成電路中各點電壓變動時，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變。穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。因為這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。 圖 (2) 穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 1) 穩(wěn)定電壓 Uz Uz就是 PN 結(jié)的擊穿電壓，它隨工作電流和溫度的不同而略有變化。 系統(tǒng) 總體 的設(shè)計 5 2) 穩(wěn)定電流 Iz 穩(wěn)壓管工作時的參考電流值。 3) 動態(tài)電阻 rz 它是穩(wěn)壓管兩端電壓變化與電流變化的比值，如上圖所示，即這個數(shù)值隨工作電流的不同而改變。 (3) 穩(wěn)壓二極管的選用 穩(wěn)壓二極管一般用在穩(wěn)壓電源中作為基準(zhǔn)電壓源或用在過電壓保護電路中作為保護二極管。穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓值應(yīng)與應(yīng)用電路的基準(zhǔn)電壓值相同，穩(wěn)壓二極管的最大穩(wěn)定電流應(yīng)高于應(yīng)用電路的最大負(fù)載電流 50%左右。故選擇穩(wěn)壓二極管維持電路的正常運行。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。 圖 (1) 變壓器的分類 按冷卻方式分類：干式（自冷）變壓器、油浸（自冷）變壓器、氟化物（蒸發(fā)冷卻）變壓器。 按鐵芯或線圈結(jié)構(gòu)分類：芯式變壓器（插片鐵芯、 C 型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、殼式變壓器（插片鐵芯、 C 型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、環(huán)型變壓器、 金屬箔變壓器。 按用途分類：電源變壓器、調(diào)壓變壓器、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、脈沖變壓器。 2) 額定功率 在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。 4) 電壓比 指變壓器初級電壓和次級電壓的比 值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。通過變壓器振蕩頻率的改變，輸出電壓改變，經(jīng)負(fù)載電路的控制，輸出可供充電的電壓。 (1) 場效應(yīng)管的 特點 具有輸 入電阻高（ 100MΩ～ 1 000MΩ）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)?、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點 ,現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者 。 場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān) 。 (3) 場效應(yīng)管的分類 場效應(yīng)管分結(jié)型、 絕緣柵型 (MOS)兩大類 ； 按溝道材料 ： 結(jié)型和絕緣柵型各分 N 溝道和 P 溝道兩種 ； 按導(dǎo)電方式 ： 耗盡型與增強型 ,結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型 ， 絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的 ， 也有增強型的。下面將對場效應(yīng)管的特性進行比較，如表 所示。 N 溝道場效應(yīng)管和 NPN 三極管類似，工作條件是在柵極加正向極性控制電壓，在漏極加正極性電源電壓，改變柵極電壓就可以改變漏極與源極之間的電流大小。 目前應(yīng)用比較廣泛的是 N 溝道場效應(yīng)管，就像三極管 NPN 型應(yīng)用比較多一樣。不同于增強型場效應(yīng)管的是 它 在制造時 ，就在二氧化硅絕緣層中加入大量正離子，因正離子的作用， 柵－源極間電壓 vGS=0 時，耗盡型 MOS 管中的漏－源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強型 MOS管要在 vGS≥ VT 時才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。電路中場效應(yīng)管 通過導(dǎo)通與關(guān)斷控制變壓器的振蕩周期，達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。采用這種組合方式制成的器件稱為光電耦合器。光電耦合器既可用來傳遞模擬信號，也可作為開關(guān)器件使用，也就是它具有變壓器和繼電器的功能。與變壓器相比，工作頻率范圍寬，耦合電容小，輸入輸出之間絕緣電阻高，并能實現(xiàn)信號的單方向傳遞。 非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關(guān)信號的傳輸，不適合于傳輸模擬量。 系統(tǒng) 總體 的設(shè)計 9 線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制。 開關(guān)電源中常用的光耦是線性光耦。 (2)光耦的作用 由于光耦 種類繁多，結(jié)構(gòu)獨特，優(yōu)點突出，因而其應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用以下場合： 1) 在邏輯電路上的應(yīng)用 光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。 3) 在觸發(fā)電路上的應(yīng)用 將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路，由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)射極回路，可有效地解決輸出與負(fù)載隔離地問題。 5) 在線性電路上的應(yīng)用 線性光電耦合器應(yīng)用于線性電路中，具有較高地線性度以及優(yōu)良地電隔離性能。 本次設(shè)計選用的光耦即為 PC817A— C 系列 。 四運放集成電路 LM324 (1) LM324 的基本結(jié)構(gòu) LM324 是四運放集成電路，它采用 14 腳雙 列直插塑料封裝，外形如圖 。每一組運算放大器可如圖所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中 “+”、 “”為兩個信號輸入端， “V+”、 “V”為正、負(fù)電源端， “Vo”為輸出 端。LM324 的引腳排列見圖 。 圖 圖 (2) LM324 的應(yīng)用 1) 反相交流放大器 電路見 圖 。電路無需調(diào)試。 放大器電壓放大倍數(shù) Av 僅由外接電阻 Ri、 Rf 決定： Av=Rf/Ri。按圖中所給數(shù)值， Av=10。一般情況下先取 Ri 與信號源內(nèi)阻相等，然后根據(jù)要求的放大倍數(shù)在選定 Rf。 系統(tǒng) 總體 的設(shè)計 11 圖 2) 同相交流放大器 電路見圖 。其中的 R R2 組成1/2V+分壓電路，通過 R3 對運放進行偏置。 R4 的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。此電路可將輸入交流信號分成三路輸出，三路信號可分別用作指示、控制、分析等用途。因運放 Ai 輸入電阻高，運放 A1A4 均把輸出端直接接到負(fù)輸入端，信號輸入至正輸入端，相當(dāng)于同相放大狀態(tài)時 Rf=0 的情況，故各放大器電 壓放大倍數(shù)均為 1 ，與分立元件組成的射極跟隨器作用相同。 12 圖 4) 有源帶通濾波器 許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器，以選出各個不同頻段的信號，在顯示上利用發(fā)光二極管點亮的多少來指示出信號幅度的大小。 這種有源帶通 濾波器的中心頻率 ，在中心頻率 fo 處的電壓增益Ao=B3/2B1，品質(zhì)因數(shù) ， 3dB 帶寬 B=1/（ п*R3*C）也可根據(jù)設(shè)計確定的 Q、 fo、Ao 值，去求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。上式中，當(dāng) fo=1KHz 時， C 取 。 此電路亦可使用單電源，只需將運放正輸入端偏置在 1/2V+并將電阻 R2 下端接到運放正輸入端既可。此時運放便形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（ V+），就是低電平（ V或接地）。 附圖中使用兩個運放組成一個電壓上下限比較器，電阻 R R1ˊ 組成分壓電路，為運放 A1 設(shè)定比較電平 U1；電阻 R R2ˊ 組成分壓電路，為運放 A2系統(tǒng) 總體 的設(shè)計 13 設(shè)定比較電平 U2。運放 A A2 只要有一個輸出高電平，晶體管 BG1 就會導(dǎo)通，發(fā)光二極管 LED 就會點亮。 若選擇 U2 U1，則當(dāng)輸入電壓在 [U2， U1]區(qū)間范圍時， LED 點亮，這是一個 “窗口 ”電壓指示器。 圖 6) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 見圖 。電阻 R R2 組成分壓電路，為運放 A1 負(fù)輸入端提供偏置電壓 U1，作為比較電壓基準(zhǔn)。當(dāng)輸入電壓 Ui 變?yōu)榈碗娖綍r，二極管 D1 導(dǎo)通，電容 C1 通過 D1 迅速放電，使U2 突然 降至地電平，此時因為 U1U2，故運放 A1 輸出低電平。顯然，提高U1 或增大 R C1 的數(shù)值，都會使單穩(wěn)延時時間增長，反之則縮 短。剛加電時， U1U2，運放 A1 輸出低電平，隨著電容 C1 不斷充電， U2 不斷 升高，當(dāng) U2U1 時， A1輸出才變?yōu)楦唠娖健? 14 圖 圖 本次 電路設(shè)計中，該集成電路主要用于電壓比較器。 精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓源 TL431 (1) TL431 的簡介 TL431 是德州儀器公司（ TI ）生產(chǎn)的一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。該器件的典型動態(tài)阻抗為 ，在很多應(yīng)用中用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等。 3 個引腳分別為：陰極（ CATHODE）、陽極（ ANODE）和參考端（ REF）。 由圖 ， VI是一個內(nèi)部的 ，接在運放的反相輸入端。當(dāng)然，該圖絕不是 TL431的實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。 圖 (2)恒壓電路應(yīng)用 前面提到 TL431的內(nèi)部含有一個 ，所以當(dāng)在 REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。顯見，這個深度的負(fù)反饋電路必然在 VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時 Vo=(1+R1/R2)Vref。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證 TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于 1 mA 。因此，在設(shè)計中它起到控制主回路的輸出電壓的作用。本章將講述該設(shè)計的具體實現(xiàn)方案。通過這幾部分的整合，從而實現(xiàn)充電器的功能。 電源電路的設(shè)計 圖 電源電路 由圖 可知， 電源電路是由橋式整流及濾波電路組成。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。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。 單相 整流電路 (1) 單相橋式整流電路 1) 工作原理 18 單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，如圖 （ a）所示。根據(jù)圖 （ a）的電路圖可知： 當(dāng)正半周時，二極管 D D3 導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。 在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。 2) 參數(shù)計算 根據(jù)圖 （ b）可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。脈動系數(shù) S 定義為二次諧波的幅值與平均值的比值。 圖 單相橋式整流電路的 負(fù)載特性曲線 (2) 單相半波整流電路 單相整流電路除橋式整流電路外還有有單相半波和單相全波兩種形式。 根據(jù)圖 可知，輸出電壓在一個工頻周期內(nèi)，只是正半