一种单片机控制的大功率铅酸电池充电器设计

在大功率的充电器设计中，功率损失也是衡量充电器性能的一项指标，而功率损失的大部分消耗在开关回路中。为了减少主电路的功率损失，开关回路采用了移相全桥的拓扑结构。此种拓扑结构实现了以零电压状态打开开关管，大大减少了开关管的开关损耗。移相全桥的原理框图如图5所示。图中，DA～DD为四个MOS开关的体二极管，CA～CD为四个MOS开关管的寄生输出电容，LR为谐振补偿电感。此种拓扑结构工作原理与全桥拓扑的不同在于应用于对角线桥臂的驱动信号并不是同时施加。以将要打开QC和QB的次序为例：先行关闭QD，此时CD被充电至+VIN，同时CC被放电至近似0，QC源漏极间几乎不存在压差。此时以零电压状态打开QC，这时通过变压器初级线圈的电流由DC和QC共同分担。然后再关闭QA，此后CA被充电至+VIN，这样QB的源漏极间几乎不存在压差，此时再以零电压状态打开QB。利用控制打开开关管的时间差来控制输出电压的幅度。开关管的驱动芯片可以选取TI公司的UCCx895或UC387x。四个开关管的示意驱动波形如图6所示。图中，OUTA～OUTD分别为四个开关管的驱动信号，DLY A/B和DLY C/D分别为关闭和打开两只串联开关管的间隔时间。PWM A/D和PWM B/C则分别为对角线开关管的共同导通时间，此时间的长短决定输出功率的大小。

在充电器的次级输出回路设计中加入了集成PWM和A/D转换功能的智能单片机控制。例如PHILPS半导体公司的P89LPC93X系列单片机，它内部集成了振荡器、看门狗、PWM、A/D转换等系统级功能，大大减小了外部元器件的数目，节约了电路板的面积。同时单片机内部配置了FLASH存储器，并且具备在电路编程(ICP)的功能，只需在硬件设计中设置一个ICP连接器，就可以在线更改程序数据，在生产调试过程中，也无需将单片机从系统中取出即可更改PWM输出值，使充电曲线更逼近经验的优化曲线。

2 充电器的软件设计

在软件设计中，应用P89LPC93X单片机的PWM输出控制充电器的输出电压值和电流值，利用A/D转换功能实时检测铅酸电池的充电深度、电池温度等参数，并根据电池状态对充电曲线进行调整，使充电过程能够按照经验的优化曲线进行。对于不同类型的电池，对其充电的优化曲线也不尽相同，可以在程序中设置不同的充电曲线子程序，在硬件上设置不同类型电池的控制开关作为对充电曲线的选择。对于充电曲线的软件设计，基本的程序流程如图7所示。

对程序软件的编制，最好采用C语言进行开发。C语言支持多种数据类型，可以方便地更改单片机PWM的输出值，更精确地对充电器的输出进行控制。另外C语言对于处理子程序的选择和跳转非常灵活，可移植性也非常好，为以后添加更多的功能提供了方便。

实际充电器产品按照经验优化曲线对Trojan 公司的36V 335AH电池的充电过程的实测曲线图如图8所示。

在大功率铅酸电池的充电器设计中，主电路采用功率因数校正(PFC)+移相全桥的拓扑结构，充电器的输出采用单片机控制，实现了实时监控电池的状态，使充电过程按照理想的优化曲线进行，一方面提高了充电器的效率，保证了足够的功率输出，另一方面又保护了电池，延长了电池寿命。这种设计方法具有很强的参考性和实用性。