CN114465337A - 一种民用小功率充电器的低成本数字化控制线路 - Google Patents

一种民用小功率充电器的低成本数字化控制线路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，包括输入端、交流电整流滤波模块、驱动模块、整流模块和输出端；输入端与交流电整流滤波模块相连后，交流电整流滤波模块与整流模块相连后，将整流后的电压转化为充电电压，然后整流模块输出端相连输出电流输出充电电压，交流电滤波模块和整流模块中间还并联有驱动模块对充电电压进行调节控制；所述输出端和所述整流模块之间还设置有数字化控制模块，采用TL431作为采样控制核心，直接调整PWM的DUTY，直接实现输出电压的精确控制，大大降低了周边器件的要求，同时芯片也没有启动速度要求，在芯片启动完成正常工作前，TL431可以有效稳定在单片机***未介入状态安全工作。

Description

一种民用小功率充电器的低成本数字化控制线路
技术领域
本发明涉及充电设备技术领域，尤其涉及一种民用小功率充电器的低成本数字化控制线路。
背景技术
在民用小功率充电器应用领域，成本是一个非常敏感的因素，直接影响产品的市场表现，而随着产品升级换代，市场对充电器的智能充电曲线、电池维护、保护、多灯充电电量指示等功能提出了越来越多的要求，所以一个低成本、高精度、智能化的控制线路就特别的重要了。
现有的具有数字化控制功能的小功率充电器主要存在以下缺点：
1.直接采用控制芯片对整个充电电路进行数字化控制的充电器，整个核心控制全部由单片机完成采样和复杂的PID运算，因此对芯片的运算能力和速度尤其是芯片自身复位时间都有较高的要求，需要更好的控制芯片才能胜任，芯片成本高。
2.采用多级滤波环节将单片机PWM方波转换为平滑的叠加电压控制反馈取样核心这种类型的充电器，单片机通过该电压直接影响输出电压值，叠加电压＝V0*DUTY(V0为单片机供电电压、DUTY为PWM占空比)，则V0的大小直接影响输出电压，因此必须增加一个符合精度要求的V0稳压环节，直接导致成本上升。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种民用小功率充电器的低成本数字化控制线路。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，包括输入端、交流电整流滤波模块、驱动模块、整流模块和输出端；输入端与交流电整流滤波模块相连后，交流电整流滤波模块与整流模块相连后，将整流后的电压转化为充电电压，然后整流模块输出端相连输出电流输出充电电压，交流电滤波模块和整流模块中间还并联有驱动模块对充电电压进行调节控制；
所述输出端和所述整流模块之间还设置有数字化控制模块，所述数字化控制模块包括电阻R、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电压调节器U2、二极管U1B、三极管、电容C4和单片机控制芯片；所述电压调节器U2的阳极接地，所述电压调节器U2的阴极与所述二极管U1B 的负极相连，所述电压调节器U2的参考极通过所述电阻R与所述三极管的漏极相连，所述二极管U1B的正极通过电阻R3与所述整流模块相连，所述电阻R4与所述电容C4相互串联后并联在所述电压调节器U2的阴极和参考极之间，所述电阻R1并联在所述电压调节器U2的参考极和所述整流模块之间，所述三极管的源极接地，所述三极管的栅极与单片机控制芯片相接，用以接收PWM信号。
进一步的，所述输入端为220V交流电，所述滤波模块包括有交流电网整流滤波电路。
进一步的，所述整流模块，将整流后的220V电压转化为充电电压，包括有整流二极管 D1、隔离变压器B和次级储能电容C2，所述整流二极管D1的正极与所述隔离变压器B二次侧的同名端相连，所述整流二极管D1的负极与输出端相连，所述次级储能电容C2并联在整流二极管D1和隔离变压器B二次侧的两端。
进一步的，所述驱动模块，通过光耦调节充电电压，包括有驱动芯片、高压MOS管Q、低频线性光耦U1A和隔离电容C，所述高压MOS管Q的栅极与所述驱动芯片相连，所述高压MOS管Q的源极与所述隔离变压器B的一次侧的同名端相连，所述高压MOS管Q的漏极接电源，所述低频线性光耦U1A的集电极与所述驱动芯片相连，所述低频线性光耦U1A的发射极接电源，所述电容C并联在所述低频线性光耦U1A的两端。
进一步的，所述电压调节器U2采用TL431型号的可精密控制的稳压源。
进一步的，所述数字化控制模块还包括有电阻R2，所述电阻R2并联在所述电压调节器 U2的阳极和参考极之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用了TL431作为采样控制核心控制单片机芯片的PWM信号，通过R直接连接到TL431的控制极，利用控制芯片IO口可定义为开漏输出状态，把控制芯片的PWM信号，当作一个有源开关，周期的将R对地接通，等效的改变了R的有效接入电阻，实现了充电器输出电压的数字化控制，从而低成本地实现了智能充电曲线、电池维护、保护及多灯充电电量显示等功能目标。
附图说明
图1为本发明的电路结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示。一种民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，包括输入端、交流电整流滤波模块、驱动模块、整流模块和输出端；输入端与交流电整流滤波模块相连后，交流电整流滤波模块与整流模块相连后，将整流后的电压转化为充电电压，然后整流模块输出端相连输出电流输出充电电压，交流电滤波模块和整流模块中间还并联有驱动模块对充电电压进行调节控制；
输出端和整流模块之间还设置有数字化控制模块，数字化控制模块包括电阻R、电阻 R1、电阻R3、电阻R4、电压调节器U2、二极管U1B、三极管、电容C4和单片机控制芯片；电压调节器U2的阳极接地，电压调节器U2的阴极与二极管U1B的负极相连，电压调节器U2 的参考极通过电阻R与三极管的漏极相连，二极管U1B的正极通过电阻R3与整流模块相连，电阻R4与电容C4相互串联后并联在电压调节器U2的阴极和参考极之间，电阻R1并联在电压调节器U2的参考极和整流模块之间，三极管的源极接地，三极管的栅极与单片机控制芯片相接，用以接收PWM信号。
进一步的，输入端为220V交流电，滤波模块包括有交流电网整流滤波电路。
进一步的，整流模块，将整流后的220V电压转化为充电电压，包括有整流二极管D1、隔离变压器B和次级储能电容C2，整流二极管D1的正极与隔离变压器B二次侧的同名端相连，整流二极管D1的负极与输出端相连，次级储能电容C2并联在整流二极管D1和隔离变压器B二次侧的两端。
进一步的，驱动模块，通过光耦调节充电电压，包括有驱动芯片、高压MOS管Q、低频线性光耦U1A和隔离电容C，高压MOS管Q的栅极与驱动芯片相连，高压MOS管Q的源极与隔离变压器B的一次侧的同名端相连，高压MOS管Q的漏极接电源，低频线性光耦U1A的集电极与驱动芯片相连，低频线性光耦U1A的发射极接电源，电容C并联在低频线性光耦U1A 的两端。
进一步的，电压调节器U2采用TL431型号的可精密控制的稳压源。
进一步的，数字化控制模块还包括有电阻R2，电阻R2并联在电压调节器U2的阳极和参考极之间。
进一步的，通过电阻R直接连接到电压调节器U2的参考极，利用控制芯片IO口可定义为开漏输出状态，把控制芯片的PWM信号，当作一个有源开关，周期的将电阻R对地接通，等效的改变了电阻R的有效接入电阻，这里单片机内部的开漏MOS管导通电阻，为电阻R的一个串联小电阻，只影响R实际取值和计算值，下面叙述的R视为已经计算导通电阻本身值。
当机器自举启动完成，单片机启动未完成，PWM输出控制未开通时候，输出电压符合公式:
Figure RE-GDA0003577922850000041
当充电器完成自举、单片机完成启动并开启PWM输出控制时候，受控的电阻R对地的有效对地接入电阻:
R0＝R/DUTY(PWM占空比)
当DUTY在0％--100％之间变化时，则R0的等效值为∞--R，
根据电压计算公式
Figure RE-GDA0003577922850000042
这里包括下面的2.5是电压调节器U2的标称基准电压值，取决于选择的电压调节器U2 的精度。
当电阻R2和电阻R等效电压并联后，则数控电源的输出电压
Figure RE-GDA0003577922850000043
很明显的，这里
Figure RE-GDA0003577922850000044
就是充电器的起始电压值，
Figure RE-GDA0003577922850000045
则就是数控的增加电压值，且完全线性。
至此就实现了充电器输出电压的数字化控制，从而低成本的实现实现智能充电曲线、电池维护、保护及多灯充电电量显示等功能目标。
进一步的，可以去掉在电压调节器U2的参考极和地之间的电阻R2，这时候输出电压公式变为：
Figure RE-GDA0003577922850000046
可以实现更宽范围的电压控制，但同时PWM的有效分辨率就是输出控制分辨率。
进一步的，综合对比现有的数控电源的控制方案，本发明有控制芯片要求低、线路简单、线性控制精度高、算法简单工作稳定5大优点，这将极大降低生产成本和生产工艺控制难度，有广泛的市场应用场景，在低成本民用智能化充电器应用领域有极大的市场效应和经济效益。
进一步的，目前低成本OTP单片机可以轻松实现足够高的PWM频率，典型的8位分辨率的单片机就可以轻松达到32KHz的频率甚至更高，在电阻R4和电容C2组成的负反馈回路和电压调节器U2的频率特性以及低速线性光耦的低通特性的共同作用下，高频的PWM开关信号就不会产生有害的影响。电容C则可以更进一步衰减PWM和电阻R导致的高频波动信号。
进一步的，电阻R4和电容C4在传统的开关电源控制模式中是必须的交流反馈环节，用来补偿控制回路的相位余度，防止环路震荡，但在这里，该回路不仅可以有效的以负反馈形式对通过电阻R接入的PWM开关信号进行有效的衰减，还不会影响电压调节器U2的正常工作。
进一步的，当采用的单片机控制芯片能力稍强时，则可以在硬件上选择9到10位分辨率的32KHz的PWM信号，从而成倍的提升实际控制分辨率。由于输出公式和PWM占空比是简单的线性公式，就可以用一个简单的闭环算法代替高速复杂的PID运算，这从原理上解决了用低成本OTP单片机来实现该方案的所有问题。
进一步的，当选用的某些型号单片机在PWM输出模式下，I0可能无法实现开漏状态，则只需要简单的增加一个导通电阻为欧姆级别的MOS管通过互补PWM驱动后，就可以代替无法开漏的单片机端口，成本增加几乎可以忽略，这就大大增加了低成本OTP单片机的可选范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可做各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，包括输入端、交流电整流滤波模块、驱动模块、整流模块和输出端；输入端与交流电整流滤波模块相连后，交流电整流滤波模块与整流模块相连后，将整流后的电压转化为充电电压，然后整流模块输出端相连输出电流输出充电电压，交流电滤波模块和整流模块中间还并联有驱动模块对充电电压进行调节控制；其特征在于：所述输出端和所述整流模块之间还设置有数字化控制模块，所述数字化控制模块对整个充电电路进行智能控制。
2.根据权利要求1所述民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，其特征在于：所述数字化控制模块包括电阻R、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电压调节器U2、二极管U1B、三极管、电容C4和单片机控制芯片；所述电压调节器U2的阳极接地，所述电压调节器U2的阴极与所述二极管U1B的负极相连，所述电压调节器U2的参考极通过所述电阻R与所述三极管的漏极相连，所述二极管U1B的正极通过电阻R3与所述整流模块相连，所述电阻R4与所述电容C4相互串联后并联在所述电压调节器U2的阴极和参考极之间，所述电阻R1并联在所述电压调节器U2的参考极和所述整流模块之间，所述三极管的源极接地，所述三极管的栅极与单片机控制芯片相接，用以接收PWM信号。
3.根据权利要求1所述民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，其特征在于：所述输入端为220V交流电，所述滤波模块包括有交流电网整流滤波电路。
4.根据权利要求1所述民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，其特征在于：所述整流模块，将整流后的220V电压转化为充电电压，包括有整流二极管D1、隔离变压器B和次级储能电容C2，所述整流二极管D1的正极与所述隔离变压器B二次侧的同名端相连，所述整流二极管D1的负极与输出端相连，所述次级储能电容C2并联在整流二极管D1和隔离变压器B二次侧的两端。
5.根据权利要求1所述民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，其特征在于：所述驱动模块，通过光耦调节充电电压，包括有驱动芯片、高压MOS管Q、低频线性光耦U1A和隔离电容C，所述高压MOS管Q的栅极与所述驱动芯片相连，所述高压MOS管Q的源极与所述隔离变压器B的一次侧的同名端相连，所述高压MOS管Q的漏极接电源，所述低频线性光耦U1A的集电极与所述驱动芯片相连，所述低频线性光耦U1A的发射极接电源，所述电容C并联在所述低频线性光耦U1A的两端。
6.根据权利要求1所述民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，其特征在于：所述电压调节器U2采用TL431型号的可精密控制的稳压源。
7.根据权利要求1所述民用小功率充电器的低成本数字化控制线路，其特征在于：所述数字化控制模块还包括有电阻R2，所述电阻R2并联在所述电压调节器U2的阳极和参考极之间。
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