低成本交直流兩用后備電源的設(shè)計(jì)
1、引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/178542.htm通過(guò)本系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了220V交流供電時(shí)儀器能夠工作,同時(shí)通過(guò)以單片機(jī)為控制器的充電部分給鋰電池充電,當(dāng)220V交流斷電時(shí),通過(guò)切換部分,使用后備電源鋰電池給儀器供電。該切換部分無(wú)需人為操作,自動(dòng)切換;充電部分同樣采取了智能化控制,能夠完成充滿后自動(dòng)報(bào)警自動(dòng)停止充電功能。整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分:切換部分、調(diào)壓部分、充電部分。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
系統(tǒng)先將開(kāi)關(guān)電源(5~12V)和鋰電池的輸出電壓分別接到自動(dòng)切換模塊相應(yīng)輸入端,再將自動(dòng)切換模塊輸出端接入電壓調(diào)整模塊,最后分別輸出5V,12V,24V電壓。
2、切換部分的設(shè)計(jì)
在便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,有時(shí)需要給系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩套電源供電電路:一套是交流供電,在室內(nèi)時(shí)使用;一套是直流供電,在室外時(shí)使用。這就需要解決交流和直流電源之間的電源切換問(wèn)題,這個(gè)切換過(guò)程應(yīng)該盡量避免用戶干預(yù)。
采用了P溝道MOSFET管IRF7406作為切換元件,主要原理圖如圖2所示。
圖2 自動(dòng)切換部分
其原理是當(dāng)插入交流電源時(shí),PMOSFET的柵極電壓高于其源極電壓,處于關(guān)斷狀態(tài),從而切斷電池的連接,此時(shí)由交流電源向儀器供電。當(dāng)去掉交流電源時(shí),PMOSFET導(dǎo)通,由直流電源向儀器供電。MOSFET的導(dǎo)通電阻依賴于它的柵極偏置。當(dāng)交流斷開(kāi)時(shí),MOSFET的柵極電壓為零,源極為電池電壓,MOSFET的導(dǎo)通電阻應(yīng)該在此偏壓下足夠低,保證在最大負(fù)載電流下能夠獲得所希望的輸出電壓,因此,應(yīng)該盡量選用低閥值的MOSFET開(kāi)關(guān)。這里選用了IRF7406 PMOSFET,該芯片VDSS=-30V,RDS=0.45Ω,非常適合本系統(tǒng)的需求。
肖特基二極管D1可防止電池單獨(dú)供電時(shí)電流從電池流入開(kāi)關(guān)電源,因而必不可少。
3、調(diào)壓部分
本系統(tǒng)需要5V,12V,24V三種電壓輸出,而一節(jié)Li電池的輸出電壓為3.6V,所以需要調(diào)整電壓。本系統(tǒng)選用3片DC-DC變換器MC34163以分別將輸出電壓升壓到5V,12V,24V,MC34163是美國(guó)Motorola公司生產(chǎn)的可以升壓、降壓式DC/DC變換器,與日本Sharp公司生產(chǎn)的IR3M03A性能相當(dāng),管腳對(duì)應(yīng),可以互換使用,其性能如下:
(1) 輸入電壓2.5~40V,輸出電壓1.25~40V連續(xù)可調(diào),功率1.25W,100~100kHz工作頻率DIP16封裝;
(2) 可以實(shí)現(xiàn)電壓的升壓、降壓、反轉(zhuǎn)變換,典型效率分別為90%、80%、65%;
(3) 有限流功能,輸出開(kāi)關(guān)電流可達(dá)3.0A,通過(guò)擴(kuò)流可達(dá)更大。
圖3所示中,輸入直流電壓為25V,電阻R1和R2組成輸出電壓的反饋網(wǎng)絡(luò),反饋電壓從電阻R1上取出加到片內(nèi)比較器的反相輸入端。若反饋電壓小于片內(nèi)基準(zhǔn)電壓地,比較器輸出高電平,電路正常工作;反之輸出低電平,片內(nèi)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,使電路沒(méi)有輸出。
圖3 調(diào)壓部分原理圖
輸出電壓V-out=Vref(R2/R1+1)=1.25×(R2/R1+1),R1=2.2KΩ,R2根據(jù)輸出需要計(jì)算其值的大小。圖3中R4即為Rsc,為峰值電流檢測(cè)電阻,Rsc的阻值越大,允許的峰值電流越小。如果要擴(kuò)大電流可外接NPN或PNP型開(kāi)關(guān)晶體管可使輸出電流達(dá)到3.0A。Rsc最小值由公式給出:Rsc(min)=0.25/Ipk(switch)=0.25V/3.4A=0.0735Ω。
4、智能充電部分
這部分也是本系統(tǒng)的核心部分,采用MAX1898- EUB42作為充電控制器件,單片機(jī)負(fù)責(zé)充電控制和提示,完成充滿自停功能和報(bào)警功能。
MAX1898EUB42可對(duì)所有化學(xué)類型的鋰電池進(jìn)行安全充電。電池調(diào)節(jié)電壓為4.2V,采用10引腳、超薄型uMAX封裝,在更小的尺寸內(nèi)集成了更多的功能,只需要少數(shù)外部元件。其基本特點(diǎn)如下:
·4.5~12V輸入電壓范圍;
·內(nèi)置檢流電阻;
·可編程充電電流;
·輸入電源自動(dòng)檢測(cè);
·LED充電狀態(tài)指示。
MAX1898EUB42外接P溝道場(chǎng)效應(yīng)管,可以對(duì)單節(jié)鋰電池進(jìn)行安全有效的快充,其最大特點(diǎn)是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功率耗散最長(zhǎng)充電時(shí)間限制為鋰電池提供二次保護(hù)。MAX1898EUB42內(nèi)部電路包括:輸入調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)器和主控制器。輸入電流調(diào)節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流,包括系統(tǒng)負(fù)載電流與充電電流,當(dāng)檢測(cè)輸入電流大于設(shè)定的限流門(mén)限時(shí),通過(guò)降低電池充電電流可達(dá)到控制輸入電流的目的。因?yàn)橄到y(tǒng)工作時(shí)電源電流的變化范圍較大,如果充電器沒(méi)有輸入電流檢測(cè)功能,則輸入電源必須能夠提供最大負(fù)載電流與最大充電電流之和,這將使電源的成本增高、體積增大,而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對(duì)直流電源的要求,同時(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源的設(shè)計(jì)。
(1) 輸出
MAX1898EUB42通過(guò)外接的場(chǎng)效應(yīng)管提供鋰電池的充電接口。
(2) 充電時(shí)間的選擇
MAX1898EUB42充電時(shí)間的選擇是通過(guò)外接的電容大小決定的。標(biāo)準(zhǔn)的充電時(shí)間為3小時(shí),根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),可以計(jì)算得到外接的電容的容值,如下所示:
C[nF]=34.33×T[hours]
(3) 設(shè)置充電電流
MAX1898EUB42充電電流在限制電流的模式下,可以通過(guò)選擇外接的電阻阻值大小決定。
充電結(jié)束條件是充電時(shí)間超出片上預(yù)置的充電時(shí)間。MAX1898EUB42能夠自動(dòng)檢測(cè)充電電源,沒(méi)有電源時(shí)自動(dòng)關(guān)斷以減小電池漏電。啟動(dòng)快充后打開(kāi)外接的P型場(chǎng)效應(yīng)管IRF7404,當(dāng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門(mén)限時(shí)進(jìn)入脈沖充電方式,IRF7404打開(kāi)時(shí)間會(huì)越來(lái)越短,充電結(jié)束時(shí),LED指示燈會(huì)熄滅。充電周期出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),LED會(huì)以1.5Hz頻率周期性閃爍。
其與單片機(jī)連接的原理圖如圖4所示。
圖4 智能充電部分的原理圖
評(píng)論