摘要：為了有效地提升鉛酸蓄電池" title="鉛酸蓄電池" target="_blank">鉛酸蓄電池的使用壽命，同時實現對充電過程的監控，設計出一種用單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" title="單片機">單片機" 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W，效率約85％，成本不到20元，具有很高的市場競爭力。
關鍵詞：鉛酸蓄電池；充電電源；單片機；電源管理IC

    鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價格低廉而得到了廣泛的使用。但是，若使用不當，其壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，而采用正確的充電方式，能有效延長蓄電池的使用壽命。研究發現：電池充電過程對電池壽命影響最大，放電過程的影響較少。也就是說，絕大多數的蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見，一個好的充電器對蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。
    目前比較被認可的充電曲線如圖1所示。也即常說的三階段充電法：在充電開始和結束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當電流衰減到預定值時，由第二階段轉換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，最大限度的保護蓄電池的壽命。

    傳統的3842式充電器性能可靠，價格低廉，但卻只能實現充電曲線的前兩個階段，無法實現浮充(涓流)階段，而且無法實現智能控制。市場上的一些所謂的智能充電器，又無一例外的價格高昂，沒有市場競爭力。本文介紹了一種采用單片機做電源管理IC的智能充電器，可以真正的實現三段式充電過程，并且具有狀態顯示、充電時間控制、報警等功能，而且整機成本不到20元，極具市場競爭力。

1 電源設計方案
1．1 總體方案簡介
    采用單片機做電源管理IC，瓶頸問題是單片機的運算速度較慢，當負載出現突變時無法及時做出調節，而本例的負載是電池，給電池進行充電的過程恰好不會出現負載突變這個問題，這使得采用單片機作為電源管理IC成為可能。
    由于本電路的輸出功率小于100 W，所以采用反激式拓撲形式，反激式拓撲最大的優點是不需要輸出濾波電感，這使得反激式拓撲的成本較低，體積較小。電源管理IC設計在電路副邊，由ELAN品牌的EM78P258N單片機模擬，單片機的運算頻率設定為8 MHz。EM78P258N是一款具有很高性價比的單片機，其工作頻率最高可達20 MHz(外接振蕩器模式)，內部設置了4個12位精度的AD轉換器、2Kx13位片內寄存器、3個八位、一個十六位計時器和一個PWM波形發生器，具有看門狗功能。電路的初級和次級由變壓器進行隔離，變壓器不僅結構簡單，而且很容易實現初次級3 000VAC的抗電強度。該充電器最高輸出約可為45 V／2 A，并可根據實際需要進行調節。本充電器的開關頻率設為40 KHz，每個周期被等分為200個部分，PWM每次可以調節1／200個周期，即125 ns。
    本充電器的電路如圖2所示。市電輸入經橋式整流后，形成約300 V直流電壓。本電路的整流濾波電路與通常有所不同，對蓄電池充電器來說，整流后的100 Hz脈動電流沒必要濾除干凈，100 Hz的脈動電流對蓄電池充電不僅無害，反而有利，在一定程度上可起到脈沖充電的效果，使充電過程中蓄電池的化學反應有緩沖的機會，防止連續大電流充電形成的極板硫化現象。

    單片機初始工作電壓，是由負載電池提供的，當沒有接上負載電池時，本充電器不會工作。由于單片機EM78P258N芯片的采樣精度與它的供電的電源紋波有關，這里采用7805芯片給它供電。EM78P258N芯片輸出的PWM脈沖的高電平為5V，而IRF840的開通電壓為4V，但由于EM78P25 8N芯片的輸出信號要先經過放大電路，再經過信號變壓器的耦合，才去驅動開關管IRF840，PWM波形難免會出現畸變。為了降低損耗，這里將信號放大電路的電壓設置為20 V，經測試，此舉會大大提高電路的效率，此20 V電壓由7820芯片提供。7805芯片和7820芯片的輸入均接到本充電器的輸出端(圖2中未繪出)。EM78P258N芯片的6腳和7腳用來控制信號燈，通過觀察兩個信號燈的開滅狀態就可以知道本電路工作在哪個階段下。11腳被設定為警報控制信號端，當電池充電過程完成，或者充電器出現故障時，此腳控制警報器發出不同的報警聲。4個AD轉換器中，13腳用來采集電壓信號，14腳用來采集電流信號，1腳用來采集溫度信號，2腳閑置，可用于以后的功能升級。3腳用來監控220VAC市電，當充電器斷電后，單片機進入休眠狀態。電流采樣電阻還可以完成假負載的功能。
    本電路在市電和蓄電池均聯接上后，才開始工作，蓄電池和市電任一個斷開，電路即停止工作，可靠性較好。
1．2 單片機軟件的設計
    由于EM78P258N芯片并不是專用的電源管理IC，所以在程序設計時，一定要盡可能將所有可能出現的工作狀態全部考慮到。由于單片機的運算速度的限制(在本例中，一個指令周期為125 ns)，不可能實現特別準確的電壓或電流輸出，但對于鉛酸電池來說，適當的電壓或電流紋波反而有利于消除極板硫化現象。
    軟件控制流程如圖3所示。當蓄電池接上后，單片機開始工作，初始化后，PWM緩慢打開，然后檢測電流采樣電阻上的電壓，將電路的輸出電流控制到1．8～2 A之間，同時檢測輸出電壓并計時，如果電路輸出電壓到達42 V的時間小于10 s，就認為這個電池本身就滿的，程序直接轉到涓流狀態。當電路的輸出電壓達到43 V后，程序轉到恒壓充電階段，此階段將電路的輸出電壓控制到43～45 V之間，同時檢測輸出電流并計時，當輸出電流小于200 mA時，程序轉到恒壓轉涓流階段。由于在恒壓階段，電池已經被浮充到了44．6 V左右，而涓流階段的電壓要求為41．4 V左右，如果恒壓階段結束后直接轉到涓流階段，就會出現電池的電壓高于充電器輸出電壓的情況，充電電流為零，強迫程序結柬。所以在恒壓階段結束后，程序先進入一個恒壓轉涓流階段，在此階段，將充電電流控制到80～100 mA之間，隨著充電電流的下降，電池兩端的電壓也會下降，當電池兩端的電壓降至40 V以下時，程序轉到涓流階段繼續對電池進行充電，從而真正實現了三段式的充電模式。涓流階段持續半小時或者充電電流小于50 mA后，單片機在蜂鳴提示后，進行到睡眠狀態，充電過程結束。

    在單片機的整個工作過程，充電器的輸出電壓和輸出電流一直被監控，如果單片機的程序末完成，蓄電池即被取下，這時開關管開通時儲存在變壓器里的能量無法被充分釋放，長時間后會導致變壓器的磁飽和，繼而燒毀充電器。所以在程序中，設定當充電電流為零，充電過程即強制結束。如果檢測到充電器的輸出電壓過高或輸出電流過大，充電程序也會強制結束，保護蓄電池不會損壞。
    在程序中，各階段的執行時間均被記錄，如果充電時間過長或充電時間過短，均會跳至對應的程序段，或點亮信號燈，或蜂鳴報警，或強制結束程序，這使得充電狀態一目了然。
1．3 變壓器設計簡介
    由于電池的充電電流不可以為零，所以本充電器必須工作在連續工作模式下，反激變壓器即使工作在電流連續模式，盡管總安匝不會停留在零，但是，對于反激變壓器的每個線圈來說，線圈電流總是處于斷續狀態。當然電流(安匝)斷續更是如此。這是因為開關期間，電流(安匝)在初級和次級之間來回轉換，即初級安匝減少時，次級安匝等量增加，反之亦然。雖然總安匝是連續的，紋波很小，但每個線圈的電流交
替由零到最高峰值之間變化。無論什么工作模式，線圈交流損耗大。
    為了降低成本，本例中使用的開關器件是IRF840(500 V、8 A)，這使得變壓器的匝數比不可能太大，因為市電經整流濾波后的電壓約為300VDC，充電器的最高輸出電壓約為45VDC，設計時設定匝數比N1／N2為2，這樣IRF840芯片約有100VDC的漏感尖峰裕度，降幅較為可靠。
    變壓器的初級和次級的伏秒數要保持平衡，由此可推算出開關管的最大開通時間
   
    式中，為變壓器原邊的最低輸入電壓，T為開關周期，VO為輸出電壓，N1為初級匝數，N2為次級匝數，這里忽略了電路中開關管和二極管的導通壓降。
    假設充電器的效率為80％，充電器的輸出功率為100 W，由于開關管的最大導通時間出現在輸入電壓最低的時候，可推得變壓器的初級電感量
   
    式中，PO為輸出功率。
    為保證本充電器可以可靠的工作在連續電流模式下，經調試，變壓器的實際參數如下：磁芯采用TDK的PC40EER40磁芯，磁芯芯柱的氣隙設為1．58 mm，骨架采用排距25 mm、針距5 mm、6x6針的立式骨架。初級繞組用0．64mm高強度漆包線繞97匝，電感量780 μH；次級繞組用0．64 mm高強度漆包線三線并繞50匝，電感量為208 μH。初次級之間墊入3層聚脂薄膜，不浸漆。

2 總結
    經測試，本充電器的最高輸出功率可達90 W，效率約85％，整機成本約20元人民幣，具有很強的市場競爭力。
    由于單片機的運算速度的限制，使用單片機模擬電源管理IC無法做到使反饋環路非常穩定，這給電路的熱設計增加了難度。如果要優化熱設計，可采用給單片機外置振蕩器，將其工作頻率提高到20 MHz的方法，也可以將恒流充電階段再分成若干個階段，隨著充電器輸出電壓的提高，逐漸的降低輸出電流以降低輸出功率，以延長充電時間為代價來降低充電器的發熱量，可以大幅降低充電器的工作溫度。
    本設計是采用單片機模擬電源管理IC，實現電源智能化的一次成功嘗試，通過本次嘗試，相信可以大大擴展智能化電源的設計思路。