电动车充电器设计.docx
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电动车充电器设计
电动车充电器设计
电动车充电器
摘要
随着电动车的普及，电动车充电器的使用也越来越广泛。
充电器的种类很多，其原理大同小异。
物美价廉使其得到广泛应用。
本设计是基于对电动车充电，采用普通的电子元件、不用昂贵的专用集成电路，既便于制作又降低制作费用。
本次电动车充电器的设计是将220V市电经整流、滤波、稳压输出44V对电池进行充电，同时本电路具有电压保护电路及灯光指示充电状态的功能。
主电路主要分为电源电路、振荡电路、电压保护电路、充电状态指示电路四个单元电路。
基准电路采用TL431精密基准稳压源输出2.5V电压以控制电压变化，LM324四运算放大器起到过流保护、稳定输出电压、控制充放电状态等作用。
本次设计主要从总体方案设计、基本电路介绍、单元电路设计等方面进行详细的介绍。
关键词：
充电器电源振荡保护电路
Abstract（外语专业的需要）
【英文摘要正文输入】
Keywords:
摘要I
Abstract（外语专业的需要）II
目录III
第一章绪论1
1.1课题研究的背景1
1.2课题研究的内容1
第二章系统总体的设计3
2.1系统实现功能及技术指标3
2.2系统实现结构图3
2.3功能元器件的概述3
2.3.1稳压二极管3
2.3.2变压器5
2.3.3场效应管6
2.3.4光电耦合器8
2.3.5四运放集成电路LM3249
2.3.6精密基准稳压源TL43113
第三章充电器系统硬件电路的设计16
3.1电源电路的设计16
3.1.1单相整流电路16
3.1.2滤波电路20
3.2振荡电路的设计23
3.2.1振荡电路的振荡方式24
3.2.2振荡电路的分类24
3.3保护电路的设计26
3.3.1过流保护电路的设计27
3.3.2输出回路的设计28
3.3.3基准电路的设计28
3.3.4电压比较电路的设计29
3.4充电状态指示电路的设计29
第四章整体调试31
4.1整体电路的连接及工作原理31
4.2调试及说明32
4.2调试注意事项32
第五章总结与展望34
致谢36
参考文献37
第一章绪论
1.1课题研究的背景
（1）充电器发展概况
自从上世纪的六、七十年代以来，电子技术领域得到了飞速的发展，可谓是日新月异，不仅在理论上，而且越来越多地运用到我们的日常生活中，致使工业、农业、科技和国防等领域以及人们的社会生活都发生着令人瞩目的变革。
小到可以随身携带的电子产品，如MP3，USB存储器，大到电瓶车、电视、巨型计算机，在我们日常生活中越来越方便了我们的生活，在21世纪，电子技术在以更快的速度前进，新一代的电子产品更广泛地应用在我们生活的各个方面。
电子产业的发展，也极大的推进了电力的利用。
各种各样的充电式产品诞生并得到极大的发展，其高效、环保、便捷等优点正逐步渗入我们的生活。
根据电动自行车铅酸蓄电池的特点，当其为36V/12AH时，采用限压恒流充电方式，初始充电电流最大不宜超过3A。
也就是说，充电器输出最大达到44V/3A/130W，已经可满足。
在充电过程中，充电电流还将逐渐降低。
（2）充电器常见的几种充电模式
1）限流恒压充电模式
2）两阶段恒流充电模式
3）恒流脉冲充电模式
此三种充电模式均为业界推荐采用，其各阶段充电电流间的转换，都分别受有温度补偿的转换电压Vmin（快充最低允许电压）、Vbik（快充终止电压）和Vflt（浮充电压）控制。
1.2课题研究的内容
本此设计的内容是将220V市电通过一系列的转换与控制输出稳定的电压44V对电动车进行充电。
本文通过四部分电路的设计来实现充电器的功能，即电源电路、振荡电路、保护电路和充电状态指示电路。
该电路能够实现电压的自动转换、充电过程的自动保护及充电状态的指示，克服了种种充电时的隐患。
设计中主要以模拟器件为核心设计并制作了充电电路。
该电路能实现充电过程的自动控制，设计中用桥式整流、滤波将220V交流电转换成311V直流电，经变压器反馈振荡得到44V充电电压，充电过程中有保护电路控制电压的输出，同时指示电路反应充电的状态。
其间用到了精密基准稳压源及四运放集成电路等重要元件。
在设计过程方面，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计到调试等同样进行了细致的介绍。
本设计是利用普通常用的元器件实现电动车的充电功能。
其性能可达到：
①可以产生44V电压充电，充电过程以指示灯为状态显示。
②采用整流稳压电路，以实现安全充电，其常用的器件在实现快速充电的同时又加以保护电路，以保证元器件的性能。
③采用LM324四运放器进行电压比较，可实现电路比较功能。
第二章系统总体的设计
2.1系统实现功能及技术指标
（1）充电保护：
在充电过程中，能够自行调节输出电流及电压，保证充电电电压在44V左右。
（2）充电显示：
通过LED灯的闪烁，能够显示当前的充电状态。
（3）电压参数：
22V交流转换成44V直流。
2.2系统实现结构图
根据课题的要求和技术指标，能实现对充电过程的保护、充电状态显示等的方案可谓很多。
但要对方案的性能、成本、体积、难易程度等进行分析与比较，本着以满足功能要求为前提，综合考虑，确定方案。
本次充电器的设计包含四部分，即电源电路、振荡电路、保护电路及充电状态指示电路。
结构图如图2.1.1所示。
图2.2.1
根据图2.2.1，显然需要运算放大器、光电耦合器、场效应管等功能部件，其中的每一个功能部件又都有多种选择的余地，当我们对每一个功能部件进行分析、比较、选择和确定后，总体方案便确定下来了。
下面将讲述设计中一些重要器件的应用特性及其选择原因。
2.3功能元器件的概述
2.3.1稳压二极管
稳压二极管（又叫齐纳二极管）是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。
此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。
稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。
稳压二极管是根据击穿电压来分档的。
图2.3.1即为稳压管等效电路。
图2.3.1
（1）稳压管工作原理
稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。
稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。
把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。
稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。
这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
如图2.3.2画出了稳压管的伏安特性及其符号。
稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。
利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。
因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。
其伏安特性见稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。
图2.3.2
（2）稳压管的主要参数
1）稳定电压UzUz就是PN结的击穿电压，它随工作电流和温度的不同而略有变化。
对于同一型号的稳压管来说，稳压值有一定的离散性。
2）稳定电流Iz稳压管工作时的参考电流值。
它通常有一定的范围，即Izmin——Izmax。
3）动态电阻rz它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值，如上图所示，即这个数值随工作电流的不同而改变。
通常工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好。
（3）稳压二极管的选用
稳压二极管一般用在稳压电源中作为基准电压源或用在过电压保护电路中作为保护二极管。
选用的稳压二极管，应满足应用电路中主要参数的要求。
稳压二极管的稳定电压值应与应用电路的基准电压值相同，稳压二极管的最大稳定电流应高于应用电路的最大负载电流50%左右。
由上述内容可知，稳压管具有稳定电压的作用，它能使输出电压在一定范围内变化，从而为负载电路提供稳定的电压。
故选择稳压二极管维持电路的正常运行。
2.3.2变压器
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
如图2.3.3所示。
图2.3.3
（1）变压器的分类
按冷却方式分类：
干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。
按防潮方式分类：
开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。
按铁芯或线圈结构分类：
芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。
按电源相数分类：
单相变压器、三相变压器、多相变压器。
按用途分类：
电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。
（2）电源变压器的特性参数
1）工作频率
变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。
2）额定功率
在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。
3）额定电压
指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。
4）电压比
指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。
5）效率
指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。
通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。
设计中所采用的变压器由初线圈、上次级线圈、下次级线圈组成，如图2.2.4所示。
通过变压器振荡频率的改变，输出电压改变，经负载电路的控制，输出可供充电的电压。
2.3.3场效应管
场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写（FET））简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件。
（1）场效应管的特点
具有输入电阻高（100MΩ～1000MΩ）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
（2）场效应管的作用
场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。
场效应管可以用作电子开关。
场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源。
（3）场效应管的分类
场效应管分结型、绝缘栅型（MOS）两大类；
按沟道材料：
结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；
按导电方式：
耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
场效应晶体管可分为结型场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型，P沟耗尽型和增强型四大类。
下面将对场效应管的特性进行比较，如表2.1所示。
表2.1各种场效应管特性比较
结构种类
工作方式
符号
电压极性
转移特性
iD=f（vGS）
输出特性
N沟道
MOSFET
耗尽型
-
+
增强型
+
+
P沟道
MOSFET
耗尽型
+
-
增强型
-
-
P沟道
JFET
耗尽型
+
-
（4）场效应管工作条件
场效应管和三极管的功能、作用一样，可以用于放大、振荡、开关电路。
N沟道场效应管和NPN三极管类似，工作条件是在栅极加正向极性控制电压，在漏极加正极性电源电压，改变栅极电压就可以改变漏极与源极之间的电流大小。
P沟道场效应管和PNP三极管类似，工作条件是在栅极加负极性控制电压，在漏极加负向极性电源电压，改变栅极电压就可以改变漏极与源极之间的电流大小。
目前应用比较广泛的是N沟道场效应管，就像三极管NPN型应用比较多一样。
本次设计选择N沟道场耗尽型场效应管。
不同于增强型场效应管的是它在制造时，就在二氧化硅绝缘层中加入大量正离子，因正离子的作用，栅－源极间电压vGS=0时，耗尽型MOS管中的漏－源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。
故只要加上正向电压vDS，就有电流iD。
电路中场效应管通过导通与关断控制变压器的振荡周期，达到一个稳定的状态。
2.3.4光电耦合器
把发光器件和光敏器件按适当方式组合，就可以实现以光信号为媒介的电信号变换。
采用这种组合方式制成的器件称为光电耦合器。
光电耦合器一般制成管式或双列直插式结构，由于发光器件和光敏器被相互绝缘地分置于输入和输出回路，故可实现两路间的电气隔离。
光电耦合器既可用来传递模拟信号，也可作为开关器件使用，也就是它具有变压器和继电器的功能。
但光电耦合器的体积小、重量轻、寿命长、开关速度比继电器快，且无触点、耗能少。
与变压器相比，工作频率范围宽，耦合电容小，输入输出之间绝缘电阻高，并能实现信号的单方向传递。
（1）光耦的分类
光电耦合器分为两种：
一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。
非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。
常用的4N系列光耦属于非线性光耦。
线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。
常用的线性光耦是PC817A—C系列。
开关电源中常用的光耦是线性光耦。
如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。
（2）光耦的作用
由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：
1）在逻辑电路上的应用
光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。
2）作为固体开关应用
在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。
3）在触发电路上的应用
将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。
4）在脉冲放大电路中的应用
光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。
5）在线性电路上的应用
线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。
6）特殊场合的应用
光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。
本次设计选用的光耦即为PC817A—C系列。
由于它具有隔离控制作用，故能够有效的保护场效应管，控制充电过程中电压的变化。
2.3.5四运放集成电路LM324
（1）LM324的基本结构
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图2.3.4。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
每一组运算放大器可如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图2.3.5。
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
图2.3.4
图2.3.5
（2）LM324的应用
1）反相交流放大器
电路见图2.3.6。
此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。
电路无需调试。
放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：
Av=-Rf/Ri。
负号表示输出信号与输入信号相位相反。
按图中所给数值，Av=-10。
此电路输入电阻为Ri。
一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。
Co和Ci为耦合电容。
图2.3.6
2）同相交流放大器
电路见图2.3.7。
同相交流放大器的特点是输入阻抗高。
其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。
电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：
Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。
R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。
图2.3.7
3）交流信号三分配放大器
电路见图2.3.8。
此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。
而对信号源的影响极小。
因运放Ai输入电阻高，运放A1-A4均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时Rf=0的情况，故各放大器电压放大倍数均为1，与分立元件组成的射极跟随器作用相同。
R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2-A4输出端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号。
图2.3.8
4）有源带通滤波器
许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。
如图2.3.9。
这种有源带通滤波器的中心频率，在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/2B1，品质因数，3dB带宽B=1/（п*R3*C）也可根据设计确定的Q、fo、Ao值，去求出带通滤波器的各元件参数值。
R1=Q/（2пfoAoC），R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC），R3=2Q/（2пfoC）。
上式中，当fo=1KHz时，C取0.01Uf。
此电路亦可用于一般的选频放大。
此电路亦可使用单电源，只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端既可。
图2.3.9
5）比较器
如图2.3.10示，当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时（即开环状态）,理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大（实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍）。
此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。
当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。
附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1ˊ组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2ˊ组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。
输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui>U1时，运放A1输出高电平；当Ui。
运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。
若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。
若选择U2>U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。
此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。
图2.3.10
6）单稳态触发器
见图2.3.11。
此电路可用在一些自动控制系统中。
电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。
静态时，电容C1充电完毕，运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+，故A1输出高电平。
当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为U1>U2，故运放A1输出低电平。
当输入电压变高时，二极管D1截止，电源电压R3给电容C1充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2>U1，A1输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。
显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩短。
如果将二极管D1去掉，则此电路具有加电延时功能。
刚加电时，U1>U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2>U1时，A1输出才变为高电平。
参考图2.3.12。
图2.3.11
图2.3.12
本次电路设计中，该集成电路主要用于电压比较器。
在保护电路中起到保护电流和电压的作用；在灯光指示电路中控制发光二极管的亮灭，以显示充电状态。
2.3.6精密基准稳压源TL431
（1）TL431的简介
TL431是德州仪器公司（TI）生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。
该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。
图2.3.13
图2.3.13是该器件的符号。
3个引脚分别为：
阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。
TL431的具体功能可以用如图2.2.16的功能模块示意。
由图2.3.14可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。
由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图2.3.14的电流将从1到100mA变化。
当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。
但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。
图2.3.14
（2）恒压电路应用
前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。
如图2.3.15所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。
显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=（1+R1/R2）Vref。
选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。
需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。
图2.3.15
（3）TL431的主要参数
1）最大输入电压为37V
2）最大工作电流150mA
3）内基准电压为2.5V
4）输出电压范围为2.5~30V
基准稳压源主要用于产生2.5V的基准电压，它作为相对稳定的基准电压通过电压比较器的比较运算获得精确、稳定的输出电压。
因此，在设计中它起到控制主回路的输出电压的作用。
第三章充电器系统硬件电路的设计
电动自行车充电器的设计方案可谓是多种多样，本次设计主要以模拟器件为核心器件设计并制作了充电电源及控制电路。
本章将讲述该设计的具体实现方案。
本次设计主要分为四个模块，即电源电路、振荡电路、电压保护电路及灯光指示电路。
通过这几部分的整合，从而实现充电器的功能。
下面将具体介绍这四大模块的电路设计。
3.1电源电路的设计
图3.1.1电源电路
由图3.1.1可知，电源电路是由桥式整流及滤波电路组成。
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电
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