一种单片机控制的铅酸蓄电池充电电源

摘要：为了有效地提升铅酸蓄电池的使用寿命，同时实现对充电过程的监控，设计出一种用单片机控制的36 V铅酸蓄电池充电电源。本电路采用反激式拓扑，连续电流工作模式，电源管理IC设计在电源的副边，由ELAN公司的EM78P258N单片机模拟，是用可编程器件模拟电源管理IC，实现智能电源低成本化的一次成功尝试，通过对单片机的软件设计实现了充电电源的状态显示、充电时间控制、报警、过温保护、过压保护、过流保护等功能。本充电器真正的实现了铅酸蓄电池的三段式充电过程，其最高输出功率可达90 W，效率约85％，成本不到20元，具有很高的市场竞争力。
关键词：铅酸蓄电池；充电电源；单片机；电源管理IC

铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。
目前比较被认可的充电曲线如图1所示。也即常说的三阶段充电法：在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，最大限度的保护蓄电池的寿命。

传统的3842式充电器性能可靠，价格低廉，但却只能实现充电曲线的前两个阶段，无法实现浮充(涓流)阶段，而且无法实现智能控制。市场上的一些所谓的智能充电器，又无一例外的价格高昂，没有市场竞争力。本文介绍了一种采用单片机做电源管理IC的智能充电器，可以真正的实现三段式充电过程，并且具有状态显示、充电时间控制、报警等功能，而且整机成本不到20元，极具市场竞争力。

1 电源设计方案
1．1 总体方案简介
采用单片机做电源管理IC，瓶颈问题是单片机的运算速度较慢，当负载出现突变时无法及时做出调节，而本例的负载是电池，给电池进行充电的过程恰好不会出现负载突变这个问题，这使得采用单片机作为电源管理IC成为可能。
由于本电路的输出功率小于100 W，所以采用反激式拓扑形式，反激式拓扑最大的优点是不需要输出滤波电感，这使得反激式拓扑的成本较低，体积较小。电源管理IC设计在电路副边，由ELAN品牌的EM78P258N单片机模拟，单片机的运算频率设定为8 MHz。EM78P258N是一款具有很高性价比的单片机，其工作频率最高可达20 MHz(外接振荡器模式)，内部设置了4个12位精度的AD转换器、2Kx13位片内寄存器、3个八位、一个十六位计时器和一个PWM波形发生器，具有看门狗功能。电路的初级和次级由变压器进行隔离，变压器不仅结构简单，而且很容易实现初次级3 000VAC的抗电强度。该充电器最高输出约可为45 V／2 A，并可根据实际需要进行调节。本充电器的开关频率设为40 KHz，每个周期被等分为200个部分，PWM每次可以调节1／200个周期，即125 ns。
本充电器的电路如图2所示。市电输入经桥式整流后，形成约300 V直流电压。本电路的整流滤波电路与通常有所不同，对蓄电池充电器来说，整流后的100 Hz脉动电流没必要滤除干净，100 Hz的脉动电流对蓄电池充电不仅无害，反而有利，在一定程度上可起到脉冲充电的效果，使充电过程中蓄电池的化学反应有缓冲的机会，防止连续大电流充电形成的极板硫化现象。

单片机初始工作电压，是由负载电池提供的，当没有接上负载电池时，本充电器不会工作。由于单片机EM78P258N芯片的采样精度与它的供电的电源纹波有关，这里采用7805芯片给它供电。EM78P258N芯片输出的PWM脉冲的高电平为5V，而IRF840的开通电压为4V，但由于EM78P25 8N芯片的输出信号要先经过放大电路，再经过信号变压器的耦合，才去驱动开关管IRF840，PWM波形难免会出现畸变。为了降低损耗，这里将信号放大电路的电压设置为20 V，经测试，此举会大大提高电路的效率，此20 V电压由7820芯片提供。7805芯片和7820芯片的输入均接到本充电器的输出端(图2中未绘出)。EM78P258N芯片的6脚和7脚用来控制信号灯，通过观察两个信号灯的开灭状态就可以知道本电路工作在哪个阶段下。11脚被设定为警报控制信号端，当电池充电过程完成，或者充电器出现故障时，此脚控制警报器发出不同的报警声。4个AD转换器中，13脚用来采集电压信号，14脚用来采集电流信号，1脚用来采集温度信号，2脚闲置，可用于以后的功能升级。3脚用来监控220VAC市电，当充电器断电后，单片机