一种EM78P258N单片机控制的铅酸蓄电池充电电源
由于EM78P258N芯片并不是专用的电源管理IC，所以在程序设计时，一定要尽可能将所有可能出现的工作状态全部考虑到。由于单片机的运算速度的限制(在本例中，一个指令周期为125 ns)，不可能实现特别准确的电压或电流输出，但对于铅酸电池来说，适当的电压或电流纹波反而有利于消除极板硫化现象。
软件控制流程如图3所示。当蓄电池接上后，单片机开始工作，初始化后，PWM缓慢打开，然后检测电流采样电阻上的电压，将电路的输出电流控制到1．8～2 A之间，同时检测输出电压并计时，如果电路输出电压到达42 V的时间小于10 s，就认为这个电池本身就满的，程序直接转到涓流状态。当电路的输出电压达到43 V后，程序转到恒压充电阶段，此阶段将电路的输出电压控制到43～45 V之间，同时检测输出电流并计时，当输出电流小于200 mA时，程序转到恒压转涓流阶段。由于在恒压阶段，电池已经被浮充到了44．6 V左右，而涓流阶段的电压要求为41．4 V左右，如果恒压阶段结束后直接转到涓流阶段，就会出现电池的电压高于充电器输出电压的情况，充电电流为零，强迫程序结柬。所以在恒压阶段结束后，程序先进入一个恒压转涓流阶段，在此阶段，将充电电流控制到80～100 mA之间，随着充电电流的下降，电池两端的电压也会下降，当电池两端的电压降至40 V以下时，程序转到涓流阶段继续对电池进行充电，从而真正实现了三段式的充电模式。涓流阶段持续半小时或者充电电流小于50 mA后，单片机在蜂鸣提示后，进行到睡眠状态，充电过程结束。
在单片机的整个工作过程，充电器的输出电压和输出电流一直被监控，如果单片机的程序末完成，蓄电池即被取下，这时开关管开通时储存在变压器里的能量无法被充分释放，长时间后会导致变压器的磁饱和，继而烧毁充电器。所以在程序中，设定当充电电流为零，充电过程即强制结束。如果检测到充电器的输出电压过高或输出电流过大，充电程序也会强制结束，保护蓄电池不会损坏。
在程序中，各阶段的执行时间均被记录，如果充电时间过长或充电时间过短，均会跳至对应的程序段，或点亮信号灯，或蜂鸣报警，或强制结束程序，这使得充电状态一目了然。
1．3 变压器设计简介
由于电池的充电电流不可以为零，所以本充电器必须工作在连续工作模式下，反激变压器即使工作在电流连续模式，尽管总安匝不会停留在零，但是，对于反激变压器的每个线圈来说，线圈电流总是处于断续状态。当然电流(安匝)断续更是如此。这是因为开关期间，电流(安匝)在初级和次级之间来回转换，即初级安匝减少时，次级安匝等量增加，反之亦然。虽然总安匝是连续的，纹波很小，但每个线圈的电流交
替由零到最高峰值之间变化。无论什么工作模式，线圈交流损耗大。
为了降低成本，本例中使用的开关器件是IRF840(500 V、8 A)，这使得变压器的匝数比不可能太大，因为市电经整流滤波后的电压约为300VDC，充电器的最高输出电压约为45VDC，设计时设定匝数比N1／N2为2，这样IRF840芯片约有100VDC的漏感尖峰裕度，降幅较为可靠。
变压器的初级和次级的伏秒数要保持平衡，由此可推算出开关管的最大开通时间
式中，
为变压器原边的最低输入电压，T为开关周期，VO为输出电压，N1为初级匝数，N2为次级匝数，这里忽略了电路中开关管和二极管的导通压降。
假设充电器的效率为80％，充电器的输出功率为100 W，由于开关管的最大导通时间出现在输入电压最低的时候，可推得变压器的初级电感量
式中，PO为输出功率。
为保证本充电器可以可靠的工作在连续电流模式下，经调试，变压器的实际参数如下：磁芯采用TDK的PC40EER40磁芯，磁芯芯柱的气隙设为1．58 mm，骨架采用排距25 mm、针距5 mm、6x6针的立式骨架。初级绕组用0．64mm高强度漆包线绕97匝，电感量780 μH；次级绕组用0．64 mm高强度漆包线三线并绕50匝，电感量为208 μH。初次级之间垫入3层聚脂薄膜，不浸漆。
2 总结
经测试，本充电器的最高输出功率可达90 W，效率约85％，整机成本约20元人民币，具有很强的市场竞争力。
由于单片机的运算速度的限制，使用单片机模拟电源管理IC无法做到使反馈环路非常稳定，这给电路的热设计增加了难度。如果要优化热设计，可采用给单片机外置振荡器，将其工作频率提高到20 MHz的方法，也可以将恒流充电阶段再分成若干个阶段，随着充电器输出电压的提高，逐渐的降低输出电流以降低输出功率，以延长充电时间为代价来降低充电器的发热量，可以大幅降低充电器的工作温度。
本设计是采用单片机模拟电源管理IC，实现电源智能化的一次成功尝试，通过本次尝试，相信可以大大扩展智能化电源的设计思路。
评论