基于UCC3895與PIC單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)

采用新一代移相PWM控制芯片UCC3895和PICl6F917單片機(jī)，針對(duì)常用的鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種智能充電器，介紹了其硬件設(shè)計(jì)思路和軟件實(shí)現(xiàn)方法，并提出了智能控制策略。
關(guān)鍵詞：UCC3895；PIC；智能充電器

0 引言
??? 現(xiàn)代通訊設(shè)備、電子產(chǎn)品、電動(dòng)車輛、UPS等普遍采用蓄電池作為電源，然而多數(shù)充電設(shè)備功能單一，通用性差，維護(hù)質(zhì)量低，導(dǎo)致產(chǎn)品的使用效率大大降低。本文采用UCC3895和PIC單片機(jī)，針對(duì)常用的鉛酸蓄電池，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種智能充電器。
??? UCC3895是TI公司生產(chǎn)的專用于PWM移相全橋DC／DC變換的新型控制芯片，可工作于電壓模式，也可工作于電流模式，并且可實(shí)現(xiàn)輸出脈沖占空比從0到100％相移控制，軟啟動(dòng)和軟停止可按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)；內(nèi)置7MHz帶寬的誤差比較放大器；具有完善的限流及過(guò)流保護(hù)、電源欠壓保護(hù)，基準(zhǔn)欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)和軟停止等功能。
??? PICl6F917型單片機(jī)與UCC3895共同組成控制器部分，相對(duì)于僅使用單片機(jī)作為控制器的方式，具有響應(yīng)速度快，控制精度高，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

l 總體結(jié)構(gòu)
??? 如圖l，充電器的供電部分采用開(kāi)關(guān)電源，其輸入為220V交流市電，整流濾波后，一部分為控制電路的數(shù)字器件提供輔助工作電源和參考電壓，另一部分經(jīng)全橋逆變轉(zhuǎn)換為高頻交流電，再進(jìn)行高頻整流濾波，為蓄電池提供0～60V脈沖直流電。PIC與UCC3895配合構(gòu)成閉環(huán)控制電路，通過(guò)比較用戶設(shè)定值和采樣得到的反饋值，在充電過(guò)程中的不同階段對(duì)逆變器進(jìn)行PWM控制，同時(shí)PIC完成顯示和報(bào)警等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)
??? 1)主電路設(shè)計(jì)
??? 如圖2，充電主電路采用移相控制全橋ZVT—PWM變換技術(shù)，利用功率MOS管的輸出電容和輸出變壓器的漏電感作為諧振元件，使FB—PWM變換器四個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)恒頻軟開(kāi)關(guān)，減少了開(kāi)關(guān)損耗，可保證變壓器效率達(dá)80—90％，并且不會(huì)發(fā)生開(kāi)關(guān)應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題。

??? 2)控制電路設(shè)計(jì)
??? 控制電路分為兩部分。第一部分為前級(jí)控制器，由UCC3895及其外圍電路組成，用來(lái)生成PWM脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)管的控制。第二部分為后級(jí)控制器，由PIC和TLV5618及其外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)定、采樣、顯示、計(jì)時(shí)、報(bào)警、主電路通斷等充電過(guò)程的管理功能。

(1)前級(jí)控制電路
??? 引腳電路功能分析
??? 如圖3，腳1和腳20是誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端，其中腳20外接Uc，Uc是后級(jí)控制器送來(lái)的輸出電壓控制信號(hào)，經(jīng)隔離后，在這里作為誤差放大器的基準(zhǔn)電壓。腳2為誤差放大器的輸出端，內(nèi)接PWM比較器的非反相端，外接EA與l腳。當(dāng)充電開(kāi)始時(shí)，充電電流較大，取樣電流與設(shè)定電流比較后接在PWM的非反相端，從而調(diào)節(jié)PWM輸出脈沖寬度；當(dāng)充電末了，充電電流較小，充電電壓變大，2腳依靠誤差放大器反饋控制調(diào)節(jié)PWM輸出脈沖寬度。

??? 腳3為PWM比較器的反相輸入端，外接7腳和取樣電流電路。充電初始階段，充電電流較大，電路工作在峰值電流模式下，反饋信號(hào)主要由取樣電流提供，它與同相端比較后，調(diào)節(jié)PWM輸出脈沖寬度。充電中后期，充電電流變小，充電電壓穩(wěn)定，電路工作在電壓模式下，該端接CT(引腳7)上的鋸齒波信號(hào)。
??? 工作過(guò)程原理分析
??? 充電器電壓信號(hào)由傳感器取出，加到UCC3895的1腳。充電初期，電池兩端電壓很低，充電電流很大，電路工作在峰值電流模式下，電壓反饋對(duì)控制電路影響比較小，這時(shí)電路主要靠電流反饋工作，采樣電流VI經(jīng)過(guò)比較后加到PWM比較器的非反相端，IA、IB經(jīng)過(guò)整流后加到PWM比較器的反相輸入端，由兩者的大小調(diào)節(jié)PWM比較器輸出脈沖的寬度(如圖4)；充電中后期，電壓變大，充電電流變小，電路工作在電壓模式下，電壓信號(hào)加到誤差放大器的反相端與設(shè)定的基準(zhǔn)值比較后送至PWM比較器的非反相端，7腳輸出的鋸齒波信號(hào)接在PWM比較器的反相端，由兩者的大小調(diào)節(jié)PWM比較器輸出脈沖的寬度(如圖5)。由芯片外圍電路可以看出，它具有兩個(gè)閉環(huán)控制調(diào)整電路，其一是電壓控制閉環(huán)電路，電壓取樣信號(hào)加在誤差放大器反相端，與后級(jí)控制器送來(lái)的同相端基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，加在PWM比較器反相端。其二是電流控制閉環(huán)電路，輸出電流取樣信號(hào)與后級(jí)控制器送來(lái)的電流信號(hào)比較后加在PWM比較器非反相端，它與反相端信號(hào)比較后產(chǎn)生控制信號(hào)，從而決定輸出脈沖的寬度。

??? (2)后級(jí)控制電路
??? 參數(shù)設(shè)定與顯示部分
??? 如圖6，PIC的RD0～RD5設(shè)為輸入，外接6個(gè)按鍵，分別為4個(gè)方向鍵、確定鍵、取消鍵，用于接收用戶的參數(shù)設(shè)定值，如電池標(biāo)定電壓、充電電流、充電時(shí)間，單片機(jī)將這些設(shè)定值存儲(chǔ)于EEPROM中。RC0～RC7設(shè)為輸出，外接顯示屏的數(shù)據(jù)端，用于顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)和用戶設(shè)定確認(rèn)。

采樣部分
??? 由于PIC的RA0～RA2可同時(shí)作A／D通道，用來(lái)接收采樣的電池電壓、充電電流、電池溫度，將其轉(zhuǎn)換為十位二進(jìn)制數(shù)存儲(chǔ)。其中充電電流通過(guò)一個(gè)外接檢測(cè)電阻，轉(zhuǎn)換為電壓值線性計(jì)算得到，電池溫度通過(guò)溫度傳感器TC1047得到。
??? 控制輸出與報(bào)警部分
??? TLV5618與單片機(jī)相連，串行接收RB0送來(lái)的代表用戶設(shè)定值的數(shù)字信號(hào)，完成DA轉(zhuǎn)換，將得到的模擬量通過(guò)OUTA(控制電壓VKV)和OUTB(控制電流VKI)輸出，為UCC3895提供基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流。RB3、RB4設(shè)為輸出，用于控制主電路通斷(SWITCH)和驅(qū)動(dòng)報(bào)警設(shè)備(BUZZ)。RB5設(shè)為輸入，接收?qǐng)?bào)警信號(hào)(ALART)。

3 軟件設(shè)計(jì)
??? 根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性，為提高充電效率，延長(zhǎng)電池壽命，實(shí)現(xiàn)快速充電，本文采用三階段智能識(shí)別充電法。如表l所示，以12V鉛酸蓄電池為例，在不同溫度下各充電階段選擇不同的轉(zhuǎn)換電壓，轉(zhuǎn)換電流和浮充電壓。
??? 1)主程序
??? 充電主程序主要完成各功能部分的初始化、循環(huán)采樣、顯示輸出實(shí)時(shí)狀態(tài)、判斷充電階段、充電計(jì)時(shí)、故障報(bào)警等工作，其流程圖如圖7所示。

??? 2)恒流充電階段

圖8為恒流充電階段的流程圖。單片機(jī)按照設(shè)定充電電流值控制UCC3895使主電路輸出恒定電流，根據(jù)當(dāng)前溫度以查表的方式取得恒流到恒壓階段的轉(zhuǎn)換電壓，采樣電池電壓，當(dāng)電池電壓超過(guò)轉(zhuǎn)換電壓時(shí)，該階段結(jié)束，進(jìn)入恒壓充電階段；若未超過(guò)，繼續(xù)采樣。過(guò)程中同時(shí)判斷是否有過(guò)流(此時(shí)ALART=1)或到達(dá)設(shè)定充電時(shí)間，以確定是否停止充電。

??? 3)恒壓充電階段
??? 圖9為恒壓充電階段的流程圖。單片機(jī)按照當(dāng)前電池電壓值控制UCC3895使主電路輸出恒定電壓，采樣電流，若電流小于浮充階段轉(zhuǎn)換值，該階段結(jié)束，進(jìn)入浮充階段；若不小于，繼續(xù)采樣。過(guò)程中同時(shí)判斷是否有過(guò)壓(此時(shí)ALART=1)或到達(dá)設(shè)定充電時(shí)間，以確定是否停止充電。

??? 4)浮充階段
??? 該階段蓄電池已充滿，為了補(bǔ)充蓄電池自放電的能量損失，單片機(jī)按照表l浮充電壓值控制UCC3895使主電路輸出恒定電壓，給蓄電池一微小的充電電流，同時(shí)判斷蓄電池的充電電壓和電流，以便在恒壓充電和恒流充電階段間轉(zhuǎn)換，判斷充電時(shí)間，若充電時(shí)間到，斷開(kāi)主電路(SWITCH=0，停止充電。流程圖與恒壓階段類似。

4 結(jié)束語(yǔ)
??? 以UCC3895和PIC單片機(jī)為控制器設(shè)計(jì)的智能充電器，可對(duì)常用的12V～48V鉛酸蓄電池進(jìn)行充電，能夠保證電池的充足率，并且保證不會(huì)過(guò)充。整個(gè)充電器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，具有良好的充電管理和維護(hù)功能，而且有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命，具有非常高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。