电动自行车充电器中选择3844 IC的设计应用

   电动自行车作为一种轻便，无污染的新型交通工具越来越普及，其动力部分市场上大多采用阀控式全密封免维修的铅酸蓄电池。该蓄电池在正常充电时，比较好的充电方式是恒压限流充电方式，即充电电源的电压在整个充电过程中是恒定的，同时对初充电流加以限制。
  本文所设计的充电器其充电对象为两节12V/100Ah铅酸蓄电池，输入电压范围是130~240V，28V输出时额定电流是15A,该电动车充电器主要有两部分组成:主电路和控制电路。
1 充电器电路组成部分及原理分析
1 .1 主电路拓扑结构

图1 双管正激式变换器
   如图1所示，该充电器主电路采用双管正激式变换器.其工作过程基本分成三个过程：能量转移阶段、变压器磁复位阶段和死区阶段。在能量转移阶段，原边的两个MOSFET管Q1、Q2都导通，能量从输入端向输出端转移。在变压器磁复位阶段，原边的两个快恢复二极管D1、D2都导通，使变压器绕组承受反相输入电压，从而实现变压器的磁复位。当变压器完全复位后，变换器工作在死区阶段，即原边无电流，副边通过D5、L3续流。
   MOSFET的驱动部分采用带有隔离变压器的互补驱动电路，依靠隔直电容C6和变压器T2使MOSFET可靠导通和关断，抗干扰能力强。
MOSFET的驱动控制主要采用电流型脉宽调制控制器UC3844, 如图1所示，控制电路的V端连接到3844的电源脚。当充电器工作开始时，整流输出侧通过R1、C5给UC3844提供电源，使其启动，变压器T1开始工作，此时由副边绕组N3,稳压二极管W1、W2，晶体管Q3,R7及D3构成了串联反馈型晶体管稳压电路开始给3844提供稳定工作电源。其具体工作原理分析如下：当T1的副边供电绕组N3输出电压变大时，Q3的E端输出电压相应变大，由于B端的基准电压被W2稳住不变，故晶体管的基极电位Ub也不变，那么基－射极电压Ube将减少，从而Ib减少，管压降Uce增大，又让Q3的E端输出电压相应减小，故E端的输出电压保持不变。如果N3输出电压变小时，调节过程与上述正好相反。
1.2控制电路组成
控制电路主要由电流型脉宽调制控制器UC3844和可调基准电压源TL431组成。
UC3844具有电压环和电流环双闭环控制性能，其内部方框图如图2所示，其引脚共有8个，第2脚是电压反馈端，将取样电压加至E/A误差放大器的反相输入端，与同相放大器的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压。利用内部E/A误差放大器可以构成电压环。第3脚是电流反馈端，电流取样电压由第3脚输入到电流比较器。利用第3脚和电流比较器可以构成电流环。第1脚是补偿端，外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特性.UC3844的振荡工作频率由4脚和8脚之间的所接定时电阻Rt以及4脚和地之间所接的定时电容Ct设定。

图2    UC3844脉宽调制器内部方框图
  TL431是一种可调式精密并联稳压器，其等效内部电路如图3所示，主要由四部分组成：①误差放大器A，其同相输入端接取样电压UREF,反相输入端则接内部2.5V基准电压
Uref,并且设计为UREF=Uref ;②内部2.50V基准电压源 UREF ;③NPN型晶体管VT，在电路中起调节负载电流的作用；④保护二极管VD,能防止因K－A间电源极性接反而损坏芯片。通常在R-K端加入R、C构成误差放大器的反馈网络.TL431作为可调电压源时，外部接线图如图4所示，其输出电压由外部电阻R1和R2来设定，有公式U0=UKA=（1+R1/R2）*UREF
 
图3  TL431内部等效电路  
        

图4 可调电压源外部接线

基于上面的分析，本文采用了电压环和电流环双环控制的思想，控制电路如图5所示。其中利用TL431稳压的性能代替UC3844中的E/A误差放大器的功能，实现电压闭环控制，这样可以提高系统的动态响应，同时采用了光耦隔离技术，使整个反馈系统更安全可靠。内环依然通过UC3844的电流测量脚和内部电流测定比较器构成电流环.考虑到过流对系统的影响，在电压环（外环）调节的输出端，即电流环（内环）调节的给定端，进行幅值限定，
    如图5所示，R15就是分流限幅作用.控制电路的工作原理分析如下:当F端电压升高时，取样电压UREF也随之升高，使UREF> Uref,比较器输出高电平，使VT导通，TL431分流增加，从而使F端电压回落。同时电流环也在起作用，TL431分流增加，即光耦发光加强，感光端得到的反馈信号就越大,UC3844根据这个反馈信号，调节驱动信号的占空比，使F端电压回落。当F端电压减少时，调节方式正好相反。这样循环下去，从动态平衡的角度来看，系统输出电压趋于稳定，达到稳压的目的。  
 
图5   控制电路
2实验结果
 串联反馈型晶体管稳压电路输出电压大约20V左右，波形稳定如图6所示。故开关管的驱动波形幅值为20V左右，保证MOSFET的可靠导通。由于主电路变压器T1副边的续流电感的作用，当输出端V0接入轻载时，变换器工作在电感电流不连续模式下，UC3844的3脚电流采样信号如图8所示，当接入重载时，变换器工作在电感电流连续模式下，图9显示的是15A时电流采样波形。
 
图6 UC3844供电电源                         

 图7  MOSFET驱动波形

图8  轻载时电流采样波形                       图9 满载时电流采样波形
    实验中，对两节12V/100Ah铅酸蓄电池进行充电，充电前蓄电池的容量大约已有20％，充电过程记录如表1所示。9小时后蓄电池容量达到90％，9小时40分钟达到饱和状态.整个充电过程基本保持恒压状态。
 表1 蓄电池充电过程
时间充电电压充电电流
开始28V12.1A
1小时28v10.5A
3小时28V8.4A
5小时28V7.6A
9 小时27.9V5A
9小时40分27.9V4.4A

3结语
实验结果表明，本文设计的双管正激式开关电源，具有良好的性能指标。它具有动态相应快，频率相应特性好；负载调整率明显；电压调整范围宽，纹波电压小等优点。该系统的稳定性好，轻载重载时均可靠运行。因此，作为铅酸蓄电池充电器的电源，能够很好地达到充电效果。