多功能充电器的设计

摘 要 

介绍一种性价比高的可对镍镉、镍氢及锂离子电池充电的多功能充电器。充电器采用单片机GMS97C2051作编程控制器，其内部的比较器用作电池最高温度检测，用1片LM324和1支TL431以及若干分立元件构成恒压—恒流电路、电压检测电路、基准电压源（兼作单片机电源）电路。

关键词 充电器 恒压 恒流 电压检测

1 电路组成
　　

多功能充电器由基准电压源、恒压—恒流电路、电压检测电路、电池最高温度检测电路及放电电路等部分组成，电原理图如图1所示。

1.1 基准电压源

作为电池电压检测基准，同时作单片机电源。电路由TL431、T3、R18、R19、R20、C5组成。由电路可知，当R19=R20时，三极管T3的射极电压等于TL431内部基准电压（UR=2.5V）的两倍，即2UR=5V。

1.2 恒压—恒流电路　　

这是典型的双环反馈控制电路，图中U1A为电压控制的运放，U1B为电流控制的运放。由电路可知，电压控制的输出电压UO控制着电流控制的电流设定值，因此电压控制先于电流控制，这时电流控制电路是恒压控制的组成部分。下面分别介绍工作原理 。　　

恒压控制电路由运放U1A、电阻R1～R10、电位器W1、电容C1、二极管D1以及开关SW等组成。其作用是锂离子电池充电时，控制电池电压不超过设定值。恒压设定值US由R1、R2和W1对基准电压5V分压确定，当SW联接电池的正极后，反馈电压UC由R8、R9对Ub+分压引入，加上R6、R7、C1形成PI调节电路。由电路可知,设误差电压E=Ua－UC，那么有U1=Ua + E·(P + I·∫dt)，式中比例系数P=R6/R7，常数I=1/ (R7·C1)。当反馈电压UC较小即E>0时，U1会不断增大直到消除误差（E=0），否则U1会达到最大值，但由于D1的钳位作用使UO＝5.6V，从而使电流控制电路的设定电压Ud=UO·R12/(R11+ R12）不变，相应地电池以恒流方式充电。反之，当反馈电压UC较大即E<0时，U1会不断减小直到消除误差（E=0），否则U1会达到最小值U1=0，从而使电流控制电路的设定电压Ud逐渐减小直到零，相应电池以恒压方式充电。

显然，恒压控制是通过调节电流控制电路的设定电压，即改变电池充电流完成的。电路主要参数由下面方程计算：

Ubt=Ub+－Ub- (1)
(US－Ua)/R3=Ua/R4+(Ua－Ub-)/R5 (2)
当恒压控制电路处于平衡状态时，电容C1无电流，则有：
UC=R8·Ub+/(R8+R9) (3)
UC = Ua (4)
式中
Ub+ — 电池正极对地电压；
Ub- — 电池负极对地电压；
Ubt — 电池端电压；
US — 设定控制电压。

恒压控制的目标是电池端电压等于设定电压，即
Ubt = US (5)

另外，还隐含了一个约束条件就是恒压控制与Ub-的取值无关，这就是在方程组中消去Ub- 必须满足：
R3=R5 (6)

这里，US为确定量；其余Ubt，Ub+，Ub－，Ua，UC，R3，R4，R5，R8，R9等10个参变量应满足上述方程（1）～（6）。由于变量数比方程数多4个，因此需要确定的参数R3，R4，R5，R8，R9有无穷多组解。

为了求解只需要增加四个约束方程，不妨设：R3= R4=R5=R8=R（R取标称电阻值）将其代入上述方程组，不难解得：R9 =2R。取R=12kΩ，则有：R3= R4=R5=R8=12kΩ，R9=24kΩ。

当电压反馈开关SW接地（充镍电池时），或者电池端压小于设定电压即Ubt<US时运放U1A饱和输出，但由于D1的钳位作用使UO＝5.6V。这时电流控制的设定值为常数（由电阻R11和R12对UO分压确定），相应地电池以恒流方式充电。

电流控制电路由运放U1B、调整驱动三极管T1、控制三极管T2、功率三极管TP、电阻R11～R17、RF、电容C2、C3等组成，这也是一个PI调节器。其中，R11、R12对电压UO进行分压得Ud作为设定值，R13、R14、C2构成比例积分电路，运放U1B 的输出通过T1和TP控制充电电流，RF作为电流—电压反馈电阻，电压Ub-为反馈电压。由于PI调节器能消除静差，因此当调节平衡时Ub-=Ud ，充电电流为Ud/RF。

由以上分析不难得知，当Ubt<US或SW接地时，UO为常数5.6V，若经R11和R12分压后设定值为Ud=160mV，取RF=0.5Ω，则恒流方式充电电流IS=160mV/0.5Ω=320mA。通过改变 RF的阻值，就能改变IS的大小。三极管T2作控制管用，当其饱和导通时，使调整管T1截止TP也无电流输出。

充锂离子电池时，电压反馈开关SW接电池的正极。当电池端电压小于设定电压即Ubt<US时，以恒流方式充电；当Ubt=US 时，恒压控制起作用，通过降低输出UO使充电电流逐渐