赵志旺李龙闫民华
　　
　　(解放军重庆通信学院重庆400035)
　　
　　摘要:文中采用新一代移相PWM控制芯片UCC3895和PIC单片机,针对大功率全桥PWM-ZVS开关电源设计了一种稳压充电器。分别阐述了峰值电流控制模式和电压控制模式下稳压过程的实现,PIC单片机进行基准电压值设定,UCC3895实现控制电路设计。实践证明,该充电器体积小、成本低、工作稳定可靠,具有较好的实用价值。
　　　
　　供电电源多数是交流电源,当交流供电电源的电压或负载电阻变化时,稳压器的直接输出电压都能保持稳定。传统的稳压充电器主电路多是简单的方波逆变器,而且采用模拟电路控制,由于其驱动复杂、体积大、效率低等缺点已经渐渐不能满足要求。近年来各种高性能微处理器的出现,使得逆变电源的数字控制成为可能。文中正是基于这一机理,采用UCC3895及PIC单片机设计了一种参数可调的稳压充电器。
　　
　　1 体结构
　　
　　如图1所示,稳压电源的输入为220V交流市电,整流滤波后,经全桥逆变转换为高频交流电,再进行整流滤波,得到直流电压输出。PIC与UCC3895配合构成闭环控制电路,通过比较用户设定值和采样得到的输出反馈值,对逆变器进行PWM控制,同时PIC还完成显示输出和报警输出的功能。
　　
　　1.1主电路设计
　　
　　主电路如图2所示,主电路采用移相控制全桥ZVT-PWM变换技术,利用功率MOS管的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件,使FBPWM变换器四个开关管依次在零电压下导通,实现恒频软开关,减少了开关过程损耗,可保证变压器效率达到80%～90%,并且不会发生开关应力过大的现象。
　　
　　1.2控制电路设计
　　
　　控制电路分为两部分。第一部分为后级控制器,由PIC和TLV5618及其外围电路组成,实现用户设定、采样反馈值、显示和报警输出、主电路通断控制等功能。第二部分为前级控制器,由UCC3895及其外围电路组成,用以生成PWM脉冲,实现对逆变器的ZVS-ZCS控制。
　　
　　(1)后级控制电路
　　
　　如图3所示,由于PIC的RA0和RA1可同时作为A/D通道,接收采样的输出电压和输出电流,RC端外接驱动LED等显示设备,RD端接收键盘或旋钮等用户设定值。RB0～RB2与TLV5618相连,将DA转换后的模拟量通过OUTA端输出。RB3产生主电路中的开关驱动信号,用来控制通断。RB4产生蜂鸣器或报警灯的驱动信号。
　　
　　(2)前级控制电路
　　
　　UCC3895是TI公司生产的专用于PWM移相全桥DC/DC变换的新型控制芯片,它是UC3875的改进型,除具有UC3875的功能外,主要是增加了自适应死区设置,以适应负载变化时不同的准谐振开关要求,另外还增加了PWM软关断能力。通过不同的外围电路设置,既可工作于电压模式,也可工作于电流模式,并且可实现输出脉冲占空比从0到100%相移控制,软启动和软停止可按要求进行调节;内置7MHz带宽的误差比较放大器。具有完善的限流及过流保护、电源欠压保护、基准欠压保护、软启动和软停止等功能。
　　
　　UCC3895的内部电路结构如图4所示。
　　
　　引脚功能如下:
　　
　　EAN(引脚1):误差放大器反相输入端。
　　
　　EAOUT(引脚2):误差放大器输出端。
　　
　　RAMP(引脚3):PWM比较器的反相输入端。
　　
　　在电压模式或平均电流模式下,该端接CT(引脚7)上的锯齿波信号;而在峰值电流模式下,该端接电流信号。RAMP内接放电晶体管,该晶体管在振荡器死区时间内触发。
　　
　　REF(引脚4):精密5V基准电压输出端。
　　
　　GND(引脚5):信号地。
　　
　　SYNC(引脚6):振荡器同步信号输出端。
　　
　　CT(引脚7):振荡器定时电容接入端。
　　
　　RT(引脚8):振荡器定时电阻接入端。
　　
　　DELAB(引脚9)/DELCD(引脚10):输出端A-D延迟控制信号输入端。
　　
　　ADS(引脚11):延迟时间设置端。当ADS引脚直接与CS(12脚引脚)相连时,输出延迟死区时间为零。当ADS引脚接地时,输出延迟时间最大。
　　
　　OUTA/OUTB/OUTC/OUTD(引脚18、17、14、13):驱动输出端。
　　
　　VDD(引脚15):偏置电源输入端。
　　
　　PGND(引脚16):电源地。
　　
　　SS/DISB(引脚19):软启动/禁止端。通过该端可以实现软启动和控制器快速禁止两项独立的功能。
　　
　　EAP(引脚20):误差放大器的非反相输入端。
　　
　　根据UCC3895各引脚功能以及控制电路要求,接有如图5所示的外围电路。
　　
　　2 作原理
　　
　　2.1引脚功能
　　
　　脚1和脚20是误差放大器的反相输入端和同相输入端,其中脚20外接UC,UC受单片机控制,也是误差放大器的基准电压,受单片机控制。当用户要求改变输出电压时,只需通过控制单片机使单片机发送信号到UCC3895改变基准电压,从而得到不同的输出电压,对比以前只能通过调节电位器改变输出电压有了很大的改进。脚2为误差放大器的输出端,内接PWM比较器的非反相端,外围电路分别接EA与1脚,当充电开始时,充电电流比较大,取样电流与单片机设定电流比较后接在PWM的非反相端,从而调节PWM输出,当充电末期,充电电流变小,充电电压变大,2脚主要靠误差放大器反馈控制,这样就解决了不同充电阶段所要求不同反馈的问题。3脚内接PWM比较器的反相输入端,外接7脚和取样电流电路,充电初始阶段,充电电流较大,电路工作在峰值电流模式下,反馈信号主要由取样电流信号提供,接在PWM比较器的反相输入端,它与同相端比较后,调节PWM输出。充电中后期,充电电流变小,充电电压稳定,电路工作在电压模式下,该端接CT(引脚7)上的锯齿波信号。19脚为软启动/禁止端。外接防反接输出控制,当反接后,OUT信号使VT9导通,拉低了19脚电压,控制器将被快速关断。
　　
　　2.2充电过程
　　
　　充电器电压信号由传感器取出,加到UCC3895的1脚。充电初期,电池两端电压很低,充电电流很大,电压反馈对控制电路影响比较小,这时电路主要靠电流反馈工作,电路工作在峰值电流模式下,采样电流Isam经过比较后加到PWM比较器的非反相端,IA、IB经过整流后加到PWM比较器的反相输入端,由两者的大小调节PWM比较器输出脉冲的宽窄。充电中期电压变大,充电电流变小,电路工作在电压模式下,电压信号加到误差放大器的反相端与设定的基准值比较后送至PWM比较器的非反相端,3脚接7脚输出的锯齿波信号,接在PWM比较器的反相端,由两者的大小调节PWM比较器输出脉冲的宽窄。
　　
　　由芯片外围电路可以看出,它具有两个闭环控制调整电路,其一是电压控制闭环电路。输出电压取样信号加在误差放大器反相端,它与单片机送来的同相端基准电压比较,产生误差电压,该信号加在PWM比较器反相端,其二是电流控制闭环电路,输出电流取样信号与单片机送来的电流信号比较后加在PWM比较器非反相端,它与反相端信号比较后产生控制电压,该控制电压决定了输出脉冲的宽度。
　　
　　2.3反馈过程
　　
　　(1)充电初期:
　　
　　电池形成恒流充电,恒流充电一直持续到电压上升到冒泡值。
　　
　　(2)充电中期:
　　
　　电池形成恒压充电,其主要任务是补充由于蓄电池自放电或瞬间大电流放电而损失的电荷,以维持蓄电池两端电压恒定。
　　
　　3软件设计
　　
　　PIC单片机的软件程序如图6所示。在充电器上电后,首先置初始值,进行D/A变换,然后设定基准电压值与采样电压进行比较控制UCC3895输出PWM波,控制主功率管的开通与关断。在整个充电过程中,单片机会一直检测电路的异常情况,如果电路过压或过流,单片机会点亮LED进行报警,并向UCC3895控制端发送信息,调整PWM波输出。如调整输出电压,只需调整单片机设定电压基准值,并按以上流程顺序执行。
　　
　　4结束语
　　
　　本文所述采用UCC3895设计了一种智能充电器。为改善控制效果,充分体现充电过程的两个阶段,采用PIC单片机进行阶段充电基准值的设定是本文的一个创新。通过实际使用,验证了设计的合理性和可行性。
　　
　　作者简介
　　
　　赵志旺,男,硕士研究生,研究方向为电力电子技术及电力传动。

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