基于UCC3895与PIC单片机的智能充电器的设计

基于UCC3895与PIC单片机的智能充电器的设计

采用新一代移相PWM控制芯片UCC3895和PICl6F917单片机，针对常用的铅酸蓄电池设计开发了一种智能充电器，介绍了其硬件设计思路和软件实现方法，并提出了智能控制策略。
关键词：UCC3895；PIC；智能充电器

0 引言
    现代通讯设备、电子产品、电动车辆、UPS等普遍采用蓄电池作为电源，然而多数充电设备功能单一，通用性差，维护质量低，导致产品的使用效率大大降低。本文采用UCC3895和PIC单片机，针对常用的铅酸蓄电池，设计开发了一种智能充电器。
    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，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。
    PICl6F917型单片机与UCC3895共同组成控制器部分，相对于仅使用单片机作为控制器的方式，具有响应速度快，控制精度高，软件设计简单，运行稳定等优点。

l 总体结构
    如图l，充电器的供电部分采用开关电源，其输入为220V交流市电，整流滤波后，一部分为控制电路的数字器件提供辅助工作电源和参考电压，另一部分经全桥逆变转换为高频交流电，再进行高频整流滤波，为蓄电池提供0～60V脉冲直流电。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反馈值，在充电过程中的不同阶段对逆变器进行PWM控制，同时PIC完成显示和报警等功能。

2 硬件设计
    1)主电路设计
    如图2，充电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FB—PWM变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关，减少了开关损耗，可保证变压器效率达80—90％，并且不会发生开关应力过大的问题。

    2)控制电路设计
    控制电路分为两部分。第一部分为前级控制器，由UCC3895及其外围电路组成，用来生成PWM脉冲，实现对开关管的控制。第二部分为后级控制器，由PIC和TLV5618及其外围电路组成，实现用户设定、采样、显示、计时、报警、主电路通断等充电过程的管理功能。

(1)前级控制电路
    引脚电路功能分析
    如图3，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是后级控制器送来的输出电压控制信号，经隔离后，在这里作为误差放大器的基准电压。脚2为误差放大器的输出端，内接PWM比较器的非反相端，外接EA与l脚。当充电开始时，充电电流较大，取样电流与设定电流比较后接在PWM的非反相端，从而调节PWM输出脉冲宽度；当充电末了，充电电流较小，充电电压变大，2脚依靠误差放大器反馈控制调节PWM输出脉冲宽度。

    脚3为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提供，它与同相端比较后，调节PWM输出脉冲宽度。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。
    工作过程原理分析
    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，电路工作在峰值电流模式下，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，采样电流VI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度(如图4)；充电中后期，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，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度(如图5)。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，电压取样信号加在误差放大器反相端，与后级控制器送来的同相端基准电压比较，产生误差信号，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后级控制器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信号，从而决定输出脉冲的宽度。

    (2)后级控制电路
    参数设定与显示部分
    如图6，PIC的RD0～RD5设为输入，外接6个按键，分别为4个方向键、确定键、取消键，用于接收用户的参数设定值，如电池标定电压、充电电流、充电时间，单片机将这些设定值存储于EEPROM中。RC0～RC7设为输出，外接显示屏的数据端，用于显示当前的工作状态和用户设定确认。

采样部分
    由于PIC的RA0～RA2可同时作A／D通道，用来接收采样的电池电压、充电电流、电池温度，将其转换为十位二进制数存储。其中充电电流通过一个外接检测电阻，转换为电压值线性计算得到，电池温度通过温度传感器TC1047得到。
    控制输出与报警部分
    TLV5618与单片机相连，串行接收RB0送来的代表用户设定值的数字信号，完成DA转换，将得到的模拟量通过OUTA(控制电压VKV)和OUTB(控制电流VKI)输出，为UCC3895提供基准电压和基准电流。RB3、RB4设为输出，用于控制主电路通断(SWITCH)和驱动报警设备(BUZZ)。RB5设为输入，接收报警信号(ALART)。

3 软件设计
    根据铅酸蓄电池的充电特性，为提高充电效率，延长电池寿命，实现快速充电，本文采用三阶段智能识别充电法。如表l所示，以12V铅酸蓄电池为例，在不同温度下各充电阶段选择不同的转换电压，转换电流和浮充电压。
    1)主程序
    充电主程序主要完成各功能部分的初始化、循环采样、显示输出实时状态、判断充电阶段、充电计时、故障报警等工作，其流程图如图7所示。

    2)恒流充电阶段

图8为恒流充电阶段的流程图。单片机按照设定充电电流值控制UCC3895使主电路输出恒定电流，根据当前温度以查表的方式取得恒流到恒压阶段的转换电压，采样电池电压，当电池电压超过转换电压时，该阶段结束，进入恒压充电阶段；若未超过，继续采样。过程中同时判断是否有过流(此时ALART=1)或到达设定充电时间，以确定是否停止充电。

    3)恒压充电阶段
    图9为恒压充电阶段的流程图。单片机按照当前电池电压值控制UCC3895使主电路输出恒定电压，采样电流，若电流小于浮充阶段转换值，该阶段结束，进入浮充阶段；若不小于，继续采样。过程中同时判断是否有过压(此时ALART=1)或到达设定充电时间，以确定是否停止充电。

    4)浮充阶段
    该阶段蓄电池已充满，为了补充蓄电池自放电的能量损失，单片机按照表l浮充电压值控制UCC3895使主电路输出恒定电压，给蓄电池一微小的充电电流，同时判断蓄电池的充电电压和电流，以便在恒压充电和恒流充电阶段间转换，判断充电时间，若充电时间到，断开主电路(SWITCH=0，停止充电。流程图与恒压阶段类似。

4 结束语
    以UCC3895和PIC单片机为控制器设计的智能充电器，可对常用的12V～48V铅酸蓄电池进行充电，能够保证电池的充足率，并且保证不会过充。整个充电器体积小，结构简单，成本低，具有良好的充电管理和维护功能，而且有利于延长电池的使用寿命，具有非常高的实用价值和推广价值。