小功率充电器的设计

时间：12-01 来源：姚化民点击：

为了使手机、电动自行车等所使用的充电器实现自动充电的功能，大都采用各种各样的专用IC充电器集成电路和各种采样电路。本文介绍一种既能省去复杂的IC电路及其外围电路，又能够实现自动充电功能的电路。

1、工作原理

图1中C1、V1～V4、C2组成滤波整流电路，变压器T为高频变压器，V5、R2、C11组成功率开关管V7的保护电路，NF为供给IC电源的绕组。单端输出IC为UC3842，其8脚输出5V基准电压，2脚为反相输入，1脚为放大器输出，4脚为振荡电容C9、电阻R7输入端，5脚为接地端，3脚为过流保护端，6脚为调宽单脉冲输出端，7脚为电源输入端。R6、C7组成负反馈，IC启动瞬间由R1供给启动电压，电路启动后由NF产生电势经V6、C4、C5整流滤波后供给IC工作电压。R12为过流保护取样电阻，V8、C3组成反激整流滤波输出电路。R13为内负载，V9～V12及R14～R19组成发光管显示电路。图1中V5、V6选用FR107，V8选用FR154，V7选用K792。

图1 电路原理图

现对变换环节作如下介绍：

从图1中可知，当V7导通时，整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中，在V7导通结束时，Np绕组中电流达到最大值Ipmax：

Ipmax=(E/Lp）ton （1）

式中：E--整流电压；
　　　Lp--变压器初级绕组电感；
　　　ton--V7导通时间。

在V7关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax，若忽略各种损耗应为：Ismax=nIpmax=n(E/Lp)ton (2)

式中：n--变压器变比，n=Np/Ns，Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。

高频变压器在V7导通期间初级绕组储存能量与V7关闭期间次级绕组释放能量应相等：n(E/Lp)ton=(Uo/Ls)toff

式中：Ls--变压器次级绕组电感；
　　　Uo--输出电压；
　　　toff--V7关闭时间。

因为Lp=n2Ls，则：
　　(E/nLs)ton=(Uo/Ls)toff
　　Eton=nUotoff
　　Uo=(ton/ntoff)E (3)

上式说明输出电压Uo与ton成正比，与匝比n及toff成反比。

变压器在导通期间储存的能量WLp为： WLp=(1/2)LpI2pmax （4）

变压器Lp愈大储能愈多。

变压器储存的能量能否在toff期间释放完，不仅与变压器的工作频率f有关，而且与次级绕组电感量Ls有关，更与负载的大小有关。

储能释放时间常数τ和V7关闭时间toff之间的差异形成变换器三种工作状态，下面分开介绍：

1）toff=τ这种状态为临界状态，各参数波形如图2所示。

图2 toff=τ的波形图

图2中ub为Vp的控制电压波形；up为变压器初级Np电势波形；φ为变压器磁通变化波形；uces为V7集电极电压波形；ip、is为初、次级电流波形。

2）toff>τ各参数波形如图3所示。从图3中可以看出磁通复位时V7关闭还持续一段时间，ip呈线性上升，is线性下降。

图3 toff >τ的波形图

变压器储存的能量等于电路输出能量。

（1/2)LpI2pmaxf=Uo2/RL
Uo2=(1/2)LpI2pmaxRLf

将Ipmax=(E/Lp)ton代入上式，则

式中：RL--电路负载电阻；
　　　T=1/f--变压器工作周期。

式（5）中E、ton、T、Lp为定值，所以输出电压Uo随负载电阻RL的大小而变化，若忽略整流器件压降，则输出电压最大值应为：
Uomax=(1/n)Up=(1/n)E （6）

V7承受的反压应为：
Ucc=E＋Up=E＋nUo （7）

3）toff<τ

各参数波形如图4所示。从图4中可以看出磁通在toff期间不能复位，ip也不是从0开始线性增加，is下降不到0，这种工作状态输出电压Uo应满足如下关系：

Eton=(Np/Ns)Uot
Uo=(ton/toff)(Ns/Np)E

图4 toff <τ 的波形图

上式说明在Lp较大的情况下，Uo只决定于变压器匝数、导通截止脉宽和电源电压E，而与负载电阻RL无关。

上述三种工作状态中，第二种工作状态输出电压Uo随负载电阻大小而变化，我们正好利用这个特点，满足充电器的充电特性。

从电路中可知，电路的负载电阻RL实际上是被充电电池的等效内阻，当电池电量放空时，等效内阻RL很小，随着充电量增大，其等效内阻升高，而电路输出电压Uo就是充电电压，其变化是随RL增大而升高，所以有如图5所示的充电特性曲线。从图5可以看出充电电流是随着RL增大而下降。io=uo/RL

充电电压uo、充电电流io都是随RL而变化，RL的变化曲线是电池的充电特性决定的，所以用单端反激电路作成的充电器其充电电压、电流有很好的跟随性。

当电池充满后，RL也就大到一定限度，充电电压也就进入饱和状态，充电电流自动进入浮充状态。

这样便大大简化了自动充电的控制电路。与相同性能的其它充电器电路相比，成本大大降低，可靠性大大提高。

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