基于DSP的軟件脈寬調(diào)制型電瓶車充電器開關(guān)電源設(shè)計(jì)

馬超兵

（浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山316000）

0 引言

電瓶車電池主要動力源目前使用最廣泛的是閥控式鉛酸蓄電池。在電瓶車操作過程中，電池存儲的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，使電動機(jī)能夠運(yùn)行。為了保持這種轉(zhuǎn)換，要不斷對電池進(jìn)行充電，而電瓶車電池的充電原理主要是將220 V交流電源的電壓和電流轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存。因此，由電池提供動力的電瓶車，充電器也是其4個主要部分之一［1］。

1 整體設(shè)計(jì)的電瓶車電池充電器

DC－DC轉(zhuǎn)換器的輸入直流電壓VS被轉(zhuǎn)換成一個輸出直流電壓VO。通過變壓器B和電隔離G這2個部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離，并應(yīng)符合GB4706．1規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)。電氣隔離采用光耦管G或脈沖變壓器，光耦管G是光耦合器，可發(fā)送直流信號，也可發(fā)送脈沖信號。脈沖變壓器是電磁耦合的，適合于前面所述脈沖信號的發(fā)送。因此，必須放置在PWM以及開關(guān)S之間，根據(jù)電路特點(diǎn)在兩者中選擇一種。開關(guān)S可以是一個功率晶體管或MOSFET FET，通過脈沖寬度調(diào)制器的PWM控制。脈沖寬度調(diào)制器的作用是在所需時(shí)間內(nèi)將直流電壓調(diào)制成振幅相同不等寬的脈沖信號。開關(guān)S在PWM效應(yīng)定期關(guān)閉，輸入直流電壓VS被切斷成脈沖信號被耦合到輸出電路，由二極管VD、電感L和電容C然后由高頻變壓器B整流后，過濾，得到平滑的輸出直流電壓VO。DC變換過程可以概括為：直流—交流—直流。分析其優(yōu)點(diǎn)，由斷續(xù)的直流轉(zhuǎn)換成高頻率的脈沖信號（通常在幾十k Hz或更多），頻率幾乎是電源頻率正弦信號為50 Hz頻率的1 000倍，因此，可能會使用鐵氧體磁性材料的高頻變壓器的核心是不僅解決了需要大量金屬材料（工頻變壓器一般采用矽鋼片鐵芯）的難題，而且在相同的功率發(fā)送情況下，與頻率變壓器相比，其體積小、重量輕、成本低。斬波效果的影響下，獲得高頻率的脈沖信號，使輸出電路的電容、電感器的容量和尺寸減少，成本降低，輸出電壓紋波有所降低［2］。

脈沖寬度調(diào)制器（PWM）是開關(guān)電源的控制芯片，其特征在于對輸入模擬信號，并將輸出脈沖信號，輸入模擬信號直接影響輸出脈沖信號的占空比。PWM輸入信號的變化導(dǎo)致輸出脈沖寬度的相應(yīng)變化，改變了開關(guān)S接通的時(shí)間，由此，調(diào)整開關(guān)電源從而達(dá)到輸出電壓VO目的。PWM芯片品種和型號很多，可以分為2大類：（1）電壓控制型：按照反饋電壓型輸出脈沖寬度，典型產(chǎn)品TL494，不足之處為瞬態(tài)響應(yīng)速度慢；（2）電流控制型：按照反饋電流型輸出脈沖寬度，典型產(chǎn)品UC3842，該控制器的開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整和瞬態(tài)響應(yīng)特性得到改善。

2 控制電路的設(shè)計(jì)

經(jīng)過一個變壓器，整流器和濾波器被輸送到電壓調(diào)節(jié)器電路的調(diào)節(jié)器，最終成為一個穩(wěn)定的直流電源。在這個過程中，首先將電路電源變壓器，通過變換來改變其控制電路的設(shè)計(jì)。電源變壓器主要由一級繞組、次級繞組和鐵芯組成。

2．1 驅(qū)動電路

當(dāng)電流通過半波整流電路，正半波交流電流很容易通過二極管VD。負(fù)半波整流二極管VD反向電阻，電流無法通過。因此，在每個正弦周期中，僅通過本整流器的交流電流的一半是一個半波整流電路。作為僅使用電源的正半周期的半波整流電路，功率利用效率是非常低的，所以只用在少數(shù)情況下，高電壓、電流等的半波整流電路，很少用在正常的電源電路。由于低效率的半波整流電路，所以將電源的負(fù)半周期這一參數(shù)也應(yīng)用進(jìn)來，這種情況下就有一個全波整流器電路［3］。

2．2 信號采集和調(diào)理電路

多部分電路都需要穩(wěn)定的直流電壓以工作。穩(wěn)壓電源：不管輸入電壓或負(fù)載變化與否，輸出電壓始終穩(wěn)定。常用的2種類型的直流穩(wěn)壓電路包括并聯(lián)和串聯(lián)穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型的是調(diào)整元件與負(fù)載串聯(lián)，并聯(lián)型的是調(diào)整元件與負(fù)載并聯(lián)。這個穩(wěn)壓電路的輸出電壓約等于穩(wěn)壓二極管VS的穩(wěn)壓值。這是因?yàn)殡娫丛诠ぷ鲿r(shí)，VT發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射極電壓和基極電壓是一致的，而基極電壓被VS穩(wěn)定在一個固定的值。

2．3 故障保護(hù)電路

系統(tǒng)在工作過程中，可能異常發(fā)生故障時(shí)（如輸入過流、輸出過壓或欠壓，電池的短路、開路或反向等），不僅會導(dǎo)致充電器故障，而且會損壞電池，甚至危及工作人員的人身安全和實(shí)時(shí)保護(hù)。如果輸入過流，電池短路通過不可恢復(fù)的保護(hù)方式，應(yīng)立即關(guān)閉PWM驅(qū)動信號，切斷電源輸入，以防止更嚴(yán)重的危險(xiǎn)，對于電池過熱等可以恢復(fù)的保護(hù)信號，暫時(shí)關(guān)閉PWM的輸出，當(dāng)狀態(tài)恢復(fù)后繼續(xù)工作。

3 脈寬調(diào)制功能的DSP程序?qū)崿F(xiàn)

它的2個輸入信號是1個幅度的三角波電壓，另一個是比較電壓。可變的比較電壓，輸出頻率和三角波是相同的，但占空比與比較電壓的變化是一個連續(xù)的矩形波脈沖。脈沖寬度調(diào)制是一種非常有效的技術(shù)，采用微處理器的數(shù)字輸出對使用模擬電路進(jìn)行控制，并且被廣泛用于許多領(lǐng)域的測量、通信、功率控制和變換。PWM在電瓶車充電器和控制器電路中普遍存在。該速度控制器也施加PWM，速度轉(zhuǎn)把信號是一個隨速度轉(zhuǎn)把位置變化的浮動直流電壓，轉(zhuǎn)把速度電壓比越高，對應(yīng)輸出脈沖較寬，電動機(jī)轉(zhuǎn)速越快。電壓比較器常用于脈寬調(diào)制、多階段充電器各階段轉(zhuǎn)換和蓄電池電量顯示電路以及各種保護(hù)電路，如控制器的蓄電池欠電壓保護(hù)和過電流保護(hù)電路。電壓比較器和運(yùn)算放大器在電路圖中的符號一樣，但內(nèi)部構(gòu)造不同。補(bǔ)償運(yùn)算放大器L M358內(nèi)部包括2個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，推薦的操作條件下，電源電流是獨(dú)立的電源電壓［4］。

充電器的變壓器形式采用工頻變壓器和高頻變壓器2種類型。工頻變壓器降壓加控制電路類型通常被稱為變壓器降壓型電源，而另一個是一個高頻變壓器加開關(guān)電源的AC／DC（交流／直流）轉(zhuǎn)換器類型。這2種電路都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)：前一種電路可靠性高，但耗電量比較大，效率低；后者電路效率高，功耗低，體積小，擺脫笨重的工頻變壓器。三段式充電器主要是開關(guān)電源充電器，充電電流被限制在約2 A。貨運(yùn)電動三輪車一般使用的是高功率環(huán)高頻變壓器充電器。該充電器的效率低，電流大（可以達(dá)到30 A），可靠性高。開關(guān)電源充電器被劃分成單勵式、半橋式和脈沖式3類。市場智能脈沖充電器MCU（單片機(jī)CPU）能夠適應(yīng)電池的特性，電路簡單，外圍元件少，性能優(yōu)于其他充電器。

4 結(jié)語

根據(jù)智能充電器的發(fā)展和電瓶車電池充電和放電的要求，采用了PC和DSP相結(jié)合的控制模式，簡化了硬件設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，輸出更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定，智能控制，可視化，也使得系統(tǒng)更易于升級擴(kuò)容。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能滿足高品質(zhì)的開關(guān)電源的可靠性和實(shí)時(shí)控制的要求。

［1］馬西奎，李明，戴棟，等．電力電子電路與系統(tǒng)中的復(fù)雜行為研究綜述［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21（12）

［2］謝少軍，陳勇．一種通用型航空蓄電池充電器研制［J］．南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35（1）

［3］劉鳳君．現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006

［4］劉遂?。畬?shí)用電動自行車充電器與控制器維修技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009