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1、-智能充电器设计_毕业设计论文-第 23 页摘 要 随着便携式电子设备的普及和充电电池的广泛应用，充电器的使用也越来越广泛，但其性能却跟不上电池的发展要求，其电路设计存在较大的缺陷。针对目前市售充电器的技术缺陷，本文应市场需求设计了一款智能镍氢电池充电器。本智能充电器具有检测镍氢电池的状态；自动切换电路组态以满足充电电池的充电需要；充电器短路保护功能；以恒压充电方式进入维护充电模式；充电状态显示的功能。本文充分考虑了国内外的设计方案，在设计中针对市场需求，在功能上进行了适当调整，以满足用户对高性价比的需要。功能适用、价格低廉、电路简化是本设计的重点。关键词：维护充电、充电电池、智能充电Abst
2、ractAlong with the prevalence of the portable devices and cells used widely, chargers are implicated in more fields than before. But the performance of the chargers is far too behind the requirement of the developing cells. With the demerit of the available chargers, this paper designs an intelligen
3、t Ni-Mn cells charger. The features of the intelligent charger are depicted as follows, detecting the state of the recharge cells, automatically switching the module of the circuit to meet the demand of the cells, short protection for the charger, maintenance charge module with constant voltage and
4、current, state showing. This paper considers designations from home and abroad fully and adjusts a few functions of the circuit to satisfy the user requirement of high performance-price ratio. The focus of this designation in this paper is proper function, low-cost, and simplified circuit. KeyWords:
5、maintenance charge module、 Rechargeable batteries、 intelligent charge目 录1 绪 论11.1 概述11.1.1 充电器的设计背景11.1.2 常见充电电池特性及其充电方式21.1.3 市场需求情况及发展趋势32 镍氢电池特性52.1 镍氢电池化学特性52.2 镍氢电池重要参数62.3 镍氢镉电池的充放电特性62.4 镍氢电池的充电状态73设计方案分析83.1 最普通的充电器电路83.2 多功能充电器93.3 智能充电器典型电路103.4 本设计采用的充电器设计方案104 硬件电路设计124.1 系统功能模块分析124.2 充
6、电器工作原理134.3 硬件电路实现135 硬件电路参数分析185.1 智能充电器硬件参数分析185.1.1 市电输入保护电路185.1.2 电压变送电路195.1.3 电流输出控制电路215.1.4 电压检测电路245.1.5 过流保护和显示电路25总 结26谢 辞参考文献附录1 充电器电路全图附表2 元器件的数量、规格、封装1 绪 论1.1 概述1.1.1 充电器的设计背景如今，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全的充电。因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间、达到最大的电
7、池容量，并防止电池损坏。以前，老式的充电器具有先天的技术设计缺陷，在电池充足电量后不能自动切断直流充电通路；不能根据电池所处的状态自动切换充电器的工作方式；不能有效保护电池和充电器自身；充电效率低下，充电时间太长。正是由于这些设计上的缺陷使得在充电时没有保护电池的功能而损坏电池，使电池寿命严重缩短。这也是过去广大用户普遍反应的问题。市售充电器电路如图1-1所示。R图1-1 市售充电器电路图该电路由一个大容量的电解电容和四个整流二极管组成桥式整流电路，当然前置电路还有一个起电磁耦合作用的变压器，是典型的全波整流电路。四个二极管中只有两个在电压信号的正半周期导通而在负半周期另外两个导通。整流电路的
8、四个二极管就以此循环导通方式工作将交流电转化为直流电。电解电容的作用是为了滤波，使输出波形平滑。这是目前市售充电器广泛采用的电路。但是这种充电器对充电电池没有保护能力，难以控制充电电压，极易损坏电池。行业内根据经验对充电器的输出电压做了一些调整。例如，对镍氢电池（充电终止电压为1.5V）充电的充电器的输出电压不是1.5V而是2.172.53V。这样一来，当镍氢电池接上充电器时输出电压就可以被拉下至1.4V左右。目前诸如此类解决方案被广泛采用，应用于各种充电器的设计中。采用此类设计方案的充电器市售价格在10.00左右。但这并没有解决充电电路本身固有的缺陷。对于过充或欠充电的问题，业界的做法是在充
9、电器的外包装盒上附有一张电池容量充电时间参考表，如表1-1所示。表1-1电池容量-充电时间对照表电池容量700mAh500 mAh300 mAh180 mAh电池数量（节）43214321充电时间（小时）32.521.52.521.51本文设计的充电器是针对目前市售充电器的设计缺陷而提出的一种解决方案。按照智能化的要求，充电器能够根据镍氢电池的状态自动切换工作方式。1.1.2 常见充电电池特性及其充电方式目前，市场上的充电器可分为两类：一类是对普通的镍镉、镍氢电池充电的通用充电器。这类充电器的缺点是用户必须按照说明书的要求控制充电的时间，否则可能对电池过充或者欠充。不但使用不便而且对充电电池本
10、身有极大的损害，还会缩短电池的使用寿命；另一类是对手机专用锂离子电池充电的专用充电器。这类充电器与锂离子电池一起工作，具有充满电后自动停止充电，温度检测的功能，但是这种充电器一般比较昂贵且通用性不强。为此，本设计力图能制成一款使用方便，价格低廉的通用微型充电器。电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的，由于使用的化学物质的不同，电池的特性也不同，其充电的方式也不大一样。电池的安全充电 现代的快速充电器( 即电池可以在小于3 个小时的时间里充满电，通常是一个小时) 需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。充电方法 SLA 电池和
11、锂电池的充电方法为恒定电压法要限流； NiCd 电池和NiMH 电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。最大充电电流 最大充电电流与电池容量(C) 有关。最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。例如，电池的容量为750 mAh，充电电流为750 mA，则充电电流为1C (1 倍的电池容量)。若涓流充电时电流为C/40，则充电电流即为电池容量除以40。过热 电池充电是将电能传输到电池的过程。能量以化学反应的方式保存了下来。但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。当电池充满后，若继续充电，则所有的电能都将转化为电池的热能。在快速
12、充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电就会造成电池的损坏。因此，在设计电池充电器时，对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。现代消费类电器主要使用如下四种电池： 密封铅酸电池 (SLA) 镍镉电池 (NiCd) 镍氢电池(NiMH) 锂电池(Li-Ion)在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。密封铅酸电池(SLA) 密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合，如UPS和报警系统的备份电池。SLA 电池以恒定电压进行充电，辅以电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。只要电池单元电压不超过生产商的规定( 典型值为2.2V)， SLA 电池可以无限制地充电。镍镉电池(Ni
13、Cd) NiCd 电池目前使用得很普遍。它的优点是相对便宜，易于使用；缺点是自放电率比较高。典型的NiCd 电池可以充电1000 次。失效机理主要是极性反转。在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。为了防止损坏电池包，需要不间断地监控电压。一旦单元电压下降到1.0V 就必须停机。NiCd 电池以恒定电流的方式进行充电。镍氢电池(NiMH) 在轻重量的手持设备中如手机、手持摄象机，等等镍氢电池是使用最广的。这种电池的容量比NiCd 的大。由于过充电会造成NiMH 电池的失效，在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。和NiCd 电池一样，极性反转时电池也会损坏。NiMH 电池
14、的自放电率大概为20%/ 月。和NiCd 电池一样，NiMH 电池也为恒定电流充电。锂电池 (Li-Ion) 和本文中所述的其他电池相比，锂电池具有最高的能量/ 重量比和能量/ 体积比。锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。过充电将造成电池损坏，甚至爆炸。1.1.3 市场需求情况及发展趋势随着现代电子技术的发展，微型电子产品的广泛应用,特别是MP3，数码相机，手机，CD播放器的普及为电池的大量使用提供了广阔的市场前景。电池的广泛使用为各种便携式设备的普及提供了强有力的推动作用。不可充电电池，（特别是含有重金
15、属汞的电池），由于对环境的污染而遭到普遍的批评，各电池生产厂商把业务的重点转移到可充电电池上,随着技术的日趋成熟，可充电电池正以迅雷不及掩耳之势取代了不可充电电池的市场。可充电电池不但可以满足对耗电量大的设备提供持续的电力供应而且可以减少环境污染。现代可充电电池有镍镉(Ni-Cd)电池,镍氢(Ni-Mn)电池，要强调说明的是由于重金属镉的污染问题和记忆效应等缺点，镍镉电池已不再生产、使用，虽然市面上仍有销售。因此，本文设计的充电器是针对镍氢电池。充电电池的普及对充电器的技术要求越来越高。市售充电器价格一般在几元到几十元之间，充电时间长，充电电流小，没有保护能力。这些设计缺陷对充电电池有极大的危
16、害，会缩短电池的使用寿命。设计充电器的原则是以适用满足需求为前提，尽量采用常用的电子元器件，避免使用昂贵的集成电路芯片，即便于制作同时又降低成本。充电器的技术设计要求：可对2节镍氢电池充电；具有过流、过压保护功能；充电方式根据电池状态自动切换；具有短路保护功能；具有状态显示功能。智能充电器的发展现状是充电器普遍采用智能型芯片外加辅助电路构成，成本比较高，最终导致售价居高不下，这就是设计粗糙的市售充电器仍占据广大市场的缘故。智能充电器能够根据电池充电状态的三个阶段自动切换工作方式，这样不仅可以保护电池，延长电池循环寿命，而且可以提高充电效率，缩短充电时间。2 镍氢电池特性本章简要介绍镍氢电池的化
17、学特性，解释电池的几个重要参数，分析其充电的状态转换过程。这些数据可以为充电器电路的设计提供参考。2.1 镍氢电池化学特性由于镍氢电池容量大，可多次循环使用，无记忆效应而得到广泛应用，是市场的主流产品，因此，本设计主要针对镍氢电池。镍氢电池与同体积的镍镉电池相比，容量增加了一倍，充放电循环寿命长，无记忆效应。正常充电状态下的镍氢电池正极的活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时)，负极的活性物质是H2（放电时）和H2O(充电时)。电解液采用30%的KOH溶液。充放电时的电化学化应如下式所示。正极： Ni(OH)2+OHe=NiOOH+H2O (2-1)负极： H2O+e=1/2H
18、2+OH (2-2)总反应：Ni(OH)2=NiOOH+1/2H2 (2-3)由电极反应方程式2-12-3可以看出：充电时，负极析出氢气，存储在容器中，正极由氢氧化亚镍（Ni(OH)2）转化成氢氧化镍（NiOOH）和水（H2O）。放电时，氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍（NiOOH）转化成氢氧化亚镍（Ni(OH)2）。过量充电时的电化学反应如下式所示。正极： 2OH2e=1/2O2+ H2O (2-4)负极： 2H2O+2e= H2+2OH (2-5)总反应： H2O= H2+1/2O2 (2-6)再化合：H2+1/2O2= H2O (2-7)从反应方程式2-42-7不难得出：电池过量充电
19、时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。由于有催化济的氢电极表面面积大，加之氧气容易扩散到氢电极表面，因此，氢气和氧气在电池内部很容易再化合生成水，使容器的内部压力保持不变，这种再化合的速率很快，可使电池内部的氧气浓度不超过千分之几。镍氢电池可以做成密封型结构，电解液多采用氢氧化钾水溶液，并加入少量的氢氧化锂。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。2.2 镍氢电池重要参数充电终止电压：电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电压也不会上升，此时的充电电压叫做充电终止电压。镍氢电池的充电终止电压为1.25V或1.5V。放电终止电压：电池放电时所能允许的最低电压。如果电池电压低于放
20、电终止电压时继续放电，电池电压迅速下降，形成深度放电，则再进行充电时，电池极板上的活性物质就不易再恢复，严重影响电池的寿命。镍氢电池的放电终止电压为1V。工作温度：指充电电池在正常充放电状态下的温度，一般为-20C55C。电压容限：电压容限即市电电压容忍限度，这个参数表明充电器电路对市电电压波动的容忍能力，也就是说它抗击市电电压不稳定的能力。2.3 镍氢镉电池的充放电特性镍氢镉电池的充放电特性如图2-1所示 。 镍 镉 镍氢 20 18电 16压 14（v） 12 10 08 0 20 40 60 80 100 120容量（%）图2-1 电池特性曲线从电池的特性曲线分析得出：充电的全过程可以分
21、为三个阶段，在电池电压低于约0.9V时，特性曲线较陡，电压上升较快。这是由于电池内部基本没有存贮电量，活性化学物质会大面积的快速激活，电压也随之快速上升。当电池电压达到1.5V左右后，此时，电池内部的电量基本恢复，活性物质绝大部分已激活，正在大量吸附电荷，电压上升较慢，持续时间也长，直到进入下一个价段。最后一个阶段电池进入饱和状态，这时再充电电池电压也不会明显上升，电量也不会增多，活性物质所能容纳的电荷量已经达到极限。这时应该停止充电，否则过充只会损毁电池电极。2.4 镍氢电池的充电状态通过分析镍氢电池的充放电特性曲线将充电状态（阶段）分为三个，以利于充电器功能的规化。 (1) 预充电区根据镍
22、氢电池的充放电特性曲线，需要给充电的电池维持一个小电流（大约为正常充电电流的1/10），这时电池电压快速提升至标称电压的60%左右，持续时间短。当单节电池电压上升到0.61.0V，充电进入下一个阶段。 (2) 快速充电区这一阶段可以达到正常的充电电流，即市售镍氢电池所标称的1300mA。电池电压缓慢从预充电电压上升到标称电压。这一阶段持续时间较长，是充电的主要阶段。(3) 维持充电区当电池电压达到标称电压时，电池进入充电饱和状态。充电电流降至正常充电电流的1/50左右。电压维持在标称状态。这一阶段可以以涓流充电方式，也可以以恒压限压方式充电。智能充电器的充电电路能够自动跟踪上文所述的充电电池的
23、状态并根据电池所处的状态自动切换电路的工作方式，在保证电池安全充电的前提下，提高充电的效率，节省充电时间。将镍氢电池的充电特性曲线划分为三个不同的阶段（状态）是本文设计方案规划的依据。3 智能充电器设计方案分析本章分析几个国内外比较典型的充电器电路，他们的设计思想值得本设计借鉴。本设计是在这些电路的基础上进行结构上的调整和功能上的完善。在上一章中，本文论述了镍氢电池在充电过程中的状态变化，指出智能充电器要根据充电电池所处的状态确定合适的充电方式。接下来，将分析这几款电路是否具有智能充电器具有的这个最基本的功能。3.1 最普通的充电器电路充电器电路如图3-1所示。VAVB图3-1ZSMCU的一款
24、充电器电路这个镍镉电池自动充电器，具有状态指示功能。充电时，发光二极管发绿光。充满后，保护电路动作，发光二极管发红光，指示电池已充满。当电池充满后，保护电路自动切断充电电流，从而防止过充电。故该充电器可对普通锌锰电池进行充电。电容C1、二极管VD1VD4构成降压（限流）、整流电路。由于电容的内阻很大，则输出近似为恒流，经二极管VD5VD7给电池充电，并在VD5VD7上产生约2.1V的电压降使发光二极管发光（绿色），作为充电指示。三极管VT和电位器RP组成自动保护电路。当电池充满后，VT饱和导通，自动切断充电电流。同时A点电位下降至0.5V左右，这时，VBVA，使红色发光二极管发光，表示充电结束
25、。从上面的分析可能得出：该电路具有良好的充电状态指示和充满电量后自动切断充电电路的功能。可以满足本文所要求的进入第三阶段的能力（在下一章论述），电路结构也比较简单，但是电路的充电效率较低，因为在电池可以接受恒流大电流充电时，电路却仍然以小电流在工作，这是该电路的一个弱点。此外，充电电压易受市电电压波动的影响。3.2 多功能充电器多功能充电器电路3-2所示。 LED LED LED LED R11 R12 R13 R146v V10 Vmul 30 30 30 302LM317 3R3 R21 R22 R23 R24AD0 1120 10 10 10 10 C T1 T2 T3 T4 1000U
26、F R4 9014 9014 9014 9014480 VE VE VE VE图3-2多功能充电器电路图3-2所示的充电电路可同时对1到4节镍氢电池分别充电，采取智能充电方式，充满电量后自动停止。充电前先调节R4，使三端可调稳压管LM317的输出电压为预定值Vo，预定值Vo由所充电的电池电压决定，即：Vo=Ve+Vbe。充电过程中，电池电压Ve逐渐上升，Vo保持恒定不变，当电池电压Ve上升到（Vo-Vbe）时，BJT截止，充电终止。充电电流由R11R14控制。在充电状态显示方面，BJT导通，相应的充电指示灯LED点亮。充电电流减小时，变为恒压小电流充电LED的亮度减弱，直到电池充满电，BJT截
27、止，相应的指示灯熄灭。对于过充问题，当电池充电结束后，即使不切断电源，由于BJT近乎截止，充电电流很小，电池电压不会再升高，这样长时间充电对电池也不会有损害。为保护充电电池，电路中设置了R11R14的限流电阻。分析该电路，不难理解该电路较上面两个电路性能优异，在电路结构方面也比较合理，是本设计参考的重要电路。充电电压稳定，抗击市电电压波动的能力较强。仔细分析电路的结构和功能，发现它并不理想。表现在充电器电路并不能跟踪电池的状态以确定最佳的充电电流；它是一个限压充电电路（电压由LM317及其外围电路限制），即充电电压限制为一个定值，这样充电电流就由三极管T1T4和电阻R11R14控制。随着电池电
28、压的上升，充电电流不是一个恒定值而是一个逐渐减小的值，对于高效来说这个设计还欠佳。3.3 智能充电器典型电路充电电路（MAX846A）如图3-3所示。图3-3智能充电器芯片典型应用电路该充电器电路是以智能充电芯片MAX846A为基础设计的，由于MAX846A使得外围电路更简单，但是这个芯片价格较贵，对于以后充电器电路的扩展不利，同时对于充电器的应用范围扩展也不利。因此，本设计也不采用这种设计思路。3.4 本设计采用的充电器设计方案本设计将以上述的设计电路为参考并在分析电池充电状态变化的基础上重新设计智能充电器电路。使其具有充电高效，保护电池，状态指示，自动跟踪电池状态并切换电路的能力。在功能上
29、进行了一定的调整以适应市场的需要。在系统功能的规划中考虑到硬件实现的成本和可能性，所以本设计把功能适用、价格低廉、电路简化作为设计的目标。系统功能划分方框图在第四章将详细说明。充电器设计方案中采用了第一节所述电路的限压和状态显示部分（本设计的过流保护单元采用），第三节所述的限流部分的电路，并在此基础上进行了一些智能化的功能划分和电路设计（电路状态切换）。本设计最突出的思路是将软件部分也采用硬件来完成，例如电压窗口范围的检测、电流输出的控制以及限压部分的电路。按照智能充电器设计的目标和要求，本文所述的智能充电器功能划分方框图如图3-4所示。市电输入220V（110V）电压变送单元控制单元电压检测
30、单元市电输入保护单元电流输出控制单元显示单元可充电电池图3-4充电器系统方框图4 硬件电路设计本文参考了如上一章中的所述的市售充电器的电路和国内外的设计方案，认为充电电池的使用寿命和电池电量在使用中不断减小的原因，除了一些制造工艺上的问题外，最值得引起注意的应是充电器问题。市售充电器的充电电路粗糙，没有给充电电池提供足够的保护，没有按照上文所述的充电电池的特性而改变充电器的工作方式。用户只能根据市售充电器说明书上的充电时间来对电池进行充电管理，这给用户带来了很大的不便。过充或欠充根本就无法区分。这些缺陷使得电池的寿命严重缩短，影响用户的正常使用。因此，本设计要克服以上缺陷，试制一款智能型镍氢电
31、池充电器。4.1 系统功能模块分析充电器系统方框图如图3-4所示。在这里需要说明的是，在本设计硬件电路的实现中有些硬件电路具有两个以上的子模块功能。例如电流输出控制单元和控制单元都是窗口检测电路和非门协同工作时所具有的功能。系统功能在逻辑上的划分为硬件电路的实现提供参考，同时硬件电路的设计可以将系统所划分出的逻辑功能综合实现。 (1) 市电输入保护单元市电输入保护单元的任务是保护充电系统免于市电电涌，雷击，脉冲冲击和高压的危害并在出现这些情况时能够让充电电路及时脱离市电电网，从而防止这些不利因素对充电电路的损害。实验和经验证明具有一定电流容忍度的电熔丝就可以满足这个要求，因而不必设计复杂的电路
32、实现。 (2) 电压变送单元电压变送单元的功能是变换市电电压（交流220V）以提供合适的电压送往电流输出控制单元转换成电流。这部分电路的要求是电压稳定性比较高，输出电压不会因负载的变化而改变的太多。(3) 电压检测单元检测可充电电池电压，分析电压值，决定输出电平以控制电流输出控制单元工作。这部分电路只需要一个反向器就可满足该单元的功能要求。 (4) 电流输出控制单元控制单元的功能是控制充电电流的大小，完成状态的切换。它的输入信号是通过窗口检测电路接收并分析电压检测单元的输入电压值后并决定其输出的电平。通过这个逻辑电平来开启或关闭该单元，完成系统划分的任务。(5) 显示单元显示单元应当最简化，最
33、好只用LED完成功能和状态指示。在本设计中，采用了两个LED，一个为绿色，另一个为红色。红色指示电源是否开通，而绿色则指示是处于充电状态还是已经充满电。4.2 充电器工作原理本智能型镍氢电池充电器能够根据镍氢电池的状态自动切换工作方式，以不同的充电电流灌注电池。从预充电状态开始经过快速充电阶段最终在充电即将结束时，维持电池电压不变或不超过限制电压，从而进入维护充电状态。到此一个完整的镍氢充电电池的充电过程结束。总的工作过程可概括为：当电池电压低于0.9V时，进行恒流小电流预充电，大小约100mA；在电池电压在0.9V1.45V时，进行恒流大电流充电，大小约1100mA；电池电压达到1.45V1
34、.5V时，进入维护充电状态。此时，电路保证电池电压不会超过1.5V的限制。以上的工作方式切换由充电电路自动完成，不受人为干预。本设计为了降低成本，满足用户需要，避免使用昂贵的专用集成电路芯片（例如MAX846A、MAX712E、PS1718、PS1719等）而尽量使用价格低廉的分立元器件组成。4.3 硬件电路实现本设计中主要采用的分立元器件有L7805CV（三端固定稳压集成电路）、LM324N、PNP型三极管S9015、NPN型三极管S9014、电位器、二极管1N4007。所需元器件的数量、规格、封装见附表1所示。L7805是日本三洋公司生产的三端固定稳压集成电路，广泛应用于各种电器的电源电路
35、中。在电路的硬件实现中，主要的电路有市电输入保护电路，稳压电路，恒流源电路，开关电路，限压电路，窗口检测电路，非门电路、过流保护电路。(1) 市电输入保护电路市电输入保护电路由具有一定电压容忍限度的电熔丝构成，电路如图4-1所示。它本身就具有在高压脉冲条件下（例如雷击、电网波动冲击）自动切断电路的能力，过流图4-1市电输入保护单元也会使其在短时间内自动熔断，可以对充电电路起到保护的作用。因此，不需要也没有必要设计一个专门的保护电路。(2) 稳压电路本设计中的稳压电路采用L7805CV和一些必要的外围电路实现，典型应用电路如图4-2所示。图4-2L7805CV典型应用电路外围电路主要是两个电容，
36、并联在输入端的电容是为了防止脉冲电压进入L7805CV，并联在输出端的电容是起着频率补偿的作用以防止稳压电路发生振荡。数据手册说明L7805CV输出脚的最大输出电流约为1000mA，本设计中要求最大输出电流为恒流1100mA，因此在电路中并联了三个PNP型三极管S9015作为电流辅助通道以增大稳压电路的输出电流，电路如图4-3所示，输入端接直流电源输入。Q1输入S9015 Q2 S9015 Q3 C4 D5 VCC R2 S9015 0.33UF U1 L7805 IN4007 R3 输出 1 IN END OUT3 5 C2 10UFC3 1UF 2 R4图4-3本设计中的稳压电路经过测试在
37、电路正常工作时S9015发射结的开通电压为0.6V，因此电路的输出电流可以达到1100mA，而且保证电路安全稳定的工作。(3) 恒流源电路恒流源的实现是依赖于稳压电路的稳压能力。这很容易实现，只要电路的电压不变则输出电流不会变。这就是恒流的原因。例如L7805CV和2、3脚之间恒压5V，当接入一个电阻后，电流恒定为5/5（5/50）安培（设定电阻阻值为5/50欧姆）。(4) 开关电路开关电路是由两个NPN型三极管S9013组成，电路总负载为1000mA.电路如图4-4所示。与S9015一样，其开通电压也是0.6V，允许最大电流是500mA。由非门输出电平控制。图4-4开关电路(5) 窗口检测电
38、路窗口检测电路由LM6762A和外围电阻构成，电路如图4-5所示。输出输入图4-5窗口检测电路窗口范围在2.33V到3.53V之间。当输入电压在此范围内，检测电路输出为低电平，反之输入电压低于2.33V或高于3.53V，检测电路的输出为高电平。电压窗口检测电路具有逻辑判断能力，这样该电路与非门电路配合工作使整个充电电路具有判断电池状态和自动切换电路的功能。(6) 非门电路非门电路由一个NPN型三极管S9014和电阻构成，电路如图4-6所示。输出输入图4-6非门电路该电路实现逻辑非运算。它的作用是实现窗口检测电路与开关电路的逻辑电平匹配。(7) 过流保护电路过流保护电路也是由三极管S9014构成
39、，当电池电压超过一定的值时，使三极管导通，从而通过二极管D11和三极管Q7旁路电流，限制电压。电路如图4-7所示。输入D7 D11 R6 IN4007IN4007620 J2 输出 1 R12 Q7D8 2 LEDDC OUTRPOT S9014图4-7过流保护电路J2为充电器电路输出，接镍氢电池输入端，1脚为正极，2脚为负极。(8) 电压检测电路电压检测电路本质上就是一个反向器，电路如图4-8所示。输出 输入图4-8电压检测电路综合以上电路。首先由电压检测电路检测出处于充电状态的镍氢电池的电压，将检测的结果送入窗口检测电路。窗口检测电路通过分析输入的电压值决定输出电平。这个输出电平用于控制1
40、000mA的电流通道的开闭，从而控制充电电路的输出电流。充电开始时，若单节镍氢电池电压低于0.9V，电流通道是关闭的，充电器电路输出电流约为100mA，这是充电器的预充电状态。直到电压越过1.0V时，开启此通道使输出电流为1100mA,这时充电器进入快速充电状态。当单节电池电压快达到约1.5V时，电流通道重新被关闭，充电器进入维护充电状态。这时，单节电池的电压被电路限制在1.5V，直到达到1.5V时，显示单元点亮指示灯，表示充电过程结束，可取用电池了。即使不取用，继续让电池充电也不会对电池有损害，因为过流保护电路的存在，电池电压没有超过1.5V的可能并且充电器向镍氢电池的输出电流被旁路，电流不
41、能灌入电池，从而做到真正保护电池。这样的设计，电池的温度也没有升高的可能，因为大量的报告和实验数据证明，电池温度的升高是由于电池进入饱和状态后继续充电造成的。在电池还没有完成本文所述的充电过程并且正处于充电状态中，质量合格的镍氢电池温度是不会超过70C，这是可充电电池的正常工作温度范围。因此本文重申并认为当前没有必要设置温度检测电路（现代镍氢电池工艺保证），如果将来需要扩展，本设计留有一部分余地。5 硬件电路参数分析在本章中将详细说明系统功能的实现电路和参数分析。这是本设计中最底层最基本的。5.1 智能充电器硬件参数分析5.1.1 市电输入保护电路市电输入保护单元电路如图4-1所示。电路中F1
42、是电熔丝，J1和J2是连接跳线。当市电电网中出现电涌、雷击、脉冲冲击和高压时，电熔丝会因瞬时强电流而发热使其自身熔断从而保护充电器电路的安全。目前，市售电子设备主要采用此方式保护电路。制造电熔丝的材料是一种在大电流时会瞬时发热使自身熔化的铅锡合金，它的熔化速度很快，充电器电路在这段时间内可以容忍一下。铅锡合金的特性如图5-1所示。1 8 0 I0 I A图5-1 铅锡合金特性曲线5.1.2 电压变送电路电压变送及直流输出，电路图如图5-3所示。图5-2电压变送及直流输出J3是市电输入端口，输入额定电压为交流220V（可允许在180V到260V范围内变动）。随后输入变压器，变压器的输出电压范围在
43、交流16V到24V。后续电路中有桥式整流电路，它将低压交流输入转换成低压直流输出，此时是单方向的正弦半波。为了让这样的输出电压波形成为恒压波形，因此在电路最后面并联了一个大容量的电解电容C1，电容值为1000uF到2200uF之间。如本设计中使用了1000uF/25V的电解电容。经过测试证明输出电压的波形比较接近直流（波形是一条常数直线）。通过该电路后，便得到了直流输出电压。在电路仿真测试中，交流电压输入（变压器输出）波形如图5-3所示，整流后输出电压波形如图5-4所示，经过电容滤波后输出波形如图5-5所示。图5-3交流电压输入（17.9V）图5-4 整流输出电压波形图5-5滤波后输出电压波形当输入的交流电压为17.9V时，输出直流电压为25.2V，纹波已很小，可以认为是直流。由于在这个电路中充电速度快而放电速度慢。当在交流的正半周期内，电容充电，其速度可以和电压变化相当，在负半周期内，电容处于