專利名稱：電池充電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種充電器，尤其是一種恒流穩(wěn)壓的電池充電器。
背景技術(shù)：
目前電池充電器都存在諸多不足之處，例如手機(jī)電池充電器就存在充電時間長，通用性差、攜帶不便和安全可靠性差等問題。其它的電動工具或電動車充電器也同樣存在充電時間長，放電時間短，電池使用壽命短等問題，其中充電時間長，電池壽命短都被認(rèn)為是電池充電器技術(shù)攻關(guān)的主題，為解決這一技術(shù)難題，一般從充電方式和控制方法入手，充電方式有線性和開關(guān)二種，線性放大方式使充電器主開關(guān)工作在線性區(qū)域，實(shí)現(xiàn)恒流充電，能延長電池壽命，但線性電效率低，充電時間長，適應(yīng)不了寬電壓范圍要求。開關(guān)電源方式，充電快速、效率高，但影響電池壽命，而且控制方法復(fù)雜。對電池充電的控制方法，有用簡單模擬控制方式，也有用單片機(jī)管理控制，單片機(jī)控制程序復(fù)雜，可靠性好，成本高。而簡單的模擬控制電路性能差，在通用性、安全性、可靠性和完善保護(hù)以及直觀顯示等方面都達(dá)不到單片機(jī)控制的性能，因此在性能與成本中尋求適中的技術(shù)解決方案，就為人們對電池充電器的一種期望。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前電池充電器所存在的普遍問題，設(shè)計一種高性能低成本的充電器，具體地說是設(shè)計一種充電時間較短、能延長電池使用壽命，同時具有通用性好、使用安全、充電可靠、保護(hù)功能完善、成本低的電池充電器。
本發(fā)明的設(shè)計方案是，一種電池充電器，它包括輸入整流濾波電路、高頻反激式變換電路、輸出整流濾波電路和輔助電源電路，以及溫度檢測與控制電路，其特征在于一恒流穩(wěn)壓控制電路，由電流電壓檢測反饋電路、光電耦合電路、脈寬調(diào)制控制電路依次串聯(lián)組成，電流電壓檢測反饋電路接于輸出整流濾波電路的輸出端，脈寬調(diào)制控制電路接于高頻反激式變換電路的一輸入端。
上述設(shè)計的特點(diǎn)是以開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)恒流的充電方式，也就是利用高頻反激式變換電路與脈寬調(diào)制電路相結(jié)合，使整流濾波電路輸出為恒流輸出，從而實(shí)現(xiàn)對充電池穩(wěn)定可靠地充電，具有開關(guān)電源高效率的充電效果，又具有恒流充電，延長電池使用壽命的優(yōu)點(diǎn)。其控制方法是根據(jù)檢測充電電流的大小決定脈寬調(diào)制控制電路輸出控制開關(guān)的占空比，從而調(diào)整輸出電流，使輸出充電電流恒定，同時還根據(jù)簡單的穩(wěn)壓控制電路檢測充電電壓，當(dāng)電池充電到一定的電壓時，控制脈寬調(diào)制電路輸出開關(guān)占空比，減小電池的充電電流，使電池電壓不再升高，實(shí)現(xiàn)充電終止，當(dāng)電路空載即電池末接入時，電流電壓檢測反饋電路使電路輸出恒定電壓，消耗極小的功率。將高頻反激式變換電路與脈寬調(diào)制控制電路與電池溫度檢測電路相結(jié)合組成電池溫度檢測保護(hù)電路，當(dāng)電池溫度高出某范圍時，使充電電路無輸出，保護(hù)電池不過熱而不被損壞。利用高頻反激式變換電路與脈寬調(diào)制控制電路相結(jié)合，反饋控制開關(guān)電路輸出的占空比，實(shí)現(xiàn)恒流充電、穩(wěn)壓保護(hù)，代替單片機(jī)程序控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠，性能價格比高的優(yōu)點(diǎn)，這是本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)和進(jìn)步。


圖1為本發(fā)明電路方框圖；圖2為充電器充電輸出特性圖。
圖3為充電器電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)附圖對實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1為電路方框圖，包括輸入整流濾波電路1、高頻反激式變換電路2、輸出整流濾波電路3、電流電壓檢測反饋電路4、光電耦合P1電路5、脈寬調(diào)制控制電路6、光電耦合P2電路9和輔助電源10。光電耦合電路5根據(jù)電流電壓檢測反饋電路4給定信號輸入脈寬調(diào)制控制電路6反饋輸出占空比。溫度檢測保護(hù)電路由電池溫度檢測電路8、光電耦合電路P2、脈寬調(diào)制控制電路6組成，光電耦合P2接電池溫度檢測電路8輸出端和脈寬調(diào)制控制電路6的輸入端。光電耦合電路9根據(jù)電池溫度檢測保護(hù)電路8給定信號輸入脈寬調(diào)制控制電路6，當(dāng)電池溫度過高時使脈寬調(diào)制控制電路6不再工作。
輸入整流濾波電路1由電感L1、電容C1、C2、C3，二極管D1～D4組成。由市電輸入交流電經(jīng)C1，L1，C2組成的濾波器后，經(jīng)二極管D1～D4組成的整流橋整流和電解電容C3濾波后，變?yōu)槠交闹绷麟姟８哳l反激式變換電路2由變壓器T1、開關(guān)管Q1、二極管D5、穩(wěn)壓管Z1、電阻R2、R11和電容C4組成，高頻變換后，輸出隔離的交流電壓，二極管D6和電容C5組成的輸出整流濾波電路將它整流濾波為充電所需的直流電壓。變壓器T1中NP和NS的匝比決定了輸出電壓的大小，具體匝數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)計。T1中NB為輔助電源繞組，二極管D7、穩(wěn)壓Z2和電容C6組成輔助電源。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，輸入電壓加在變壓器T1的NP繞組兩端，由于NP繞組有一定電感量，流經(jīng)NP繞組的電流線性上升，同時，能量儲存在變壓器T1中。由于二極管D6、D7截止，此時，NS和NB繞組中沒有電流流過。當(dāng)開關(guān)管Q1關(guān)斷時，NP繞組中能量有三個輸出，一是經(jīng)D5、Z1、R2和C4嵌位吸收；二是經(jīng)D6，Z2穩(wěn)壓，C7濾波作為輔助電源輸出，供給芯片；三是主要能量向變壓器T1副邊繞組NS泄放，從而完成能量的隔離和變壓輸出。
脈寬調(diào)制控制電路6由光電耦合電路P1、集成芯片IC1、電阻R15、R16、R17、R18，電容C7、C8、C9、C10組成。光電耦合P1集電極的輸出經(jīng)電阻R15與集成芯片IC1的RT/CT端相連接。IC1為常用的PWM控制芯片，價格低廉。具有可微調(diào)的振蕩器，能進(jìn)行精確的占空比控制，能夠根據(jù)輸入信號大小反饋調(diào)節(jié)輸出占空比，從而調(diào)節(jié)反激式變換器輸出電壓和電流，達(dá)到所需的大小。可用型號類，如UC3842、UC3844或AZ3842等。
電流電壓檢測反饋電路4，由三極管Q2、光電耦合P1、二極管D9、電容C11、電阻R8、R9、R10組成電流檢測反饋電路，由三端穩(wěn)壓管Z3電阻R3、R4、R6、電容C12組成穩(wěn)壓電路。三端穩(wěn)壓管Z3為一個三端可調(diào)穩(wěn)壓器件，內(nèi)部有一個精密恒定參考電壓，可用型號類，如TL431、TL432、AZ431、AZ432等。
當(dāng)電池電壓未達(dá)到充滿的電壓時，R4和R6組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)檢測的電壓值輸入三端穩(wěn)壓管Z3控制端，此時該電壓值低于Z3內(nèi)部參考值2.5V，則Z3陰極端為高電壓，約等于輸出電壓，因此D9截止，流經(jīng)光電耦合P1原邊二極管的電流就是流經(jīng)三極管Q2的集電極電流。電阻R10檢測充電電流大小，電阻R10兩端壓降決定了三極管Q2的基極電流，由于三極管工作在放大狀態(tài)，基極電流與集電極電流成一定比例關(guān)系，因此光電耦合P1的輸出能反映充電電流大小。光電耦合P1的輸出與輸入成一定比例線形關(guān)系，即流經(jīng)P1的1腳到2腳的電流大小決定了流經(jīng)4到3腳的大小。流經(jīng)4到3腳的的電流再經(jīng)過R17到地端，R17兩端產(chǎn)生一定的電壓。脈寬調(diào)制控制芯片IC1的1腳、2腳內(nèi)部為一個帶有2.5V參考的運(yùn)算放大電路，電阻R16、R18，電容C8和IC1的1腳、2腳組成電壓負(fù)反饋電路。當(dāng)R17兩端電壓高時，負(fù)反饋電路使IC1的1腳輸出變低，脈寬調(diào)制IC1的輸出占空比就會變?。划?dāng)R17兩端電壓低時，負(fù)反饋電路使IC1的1腳輸出變高，脈寬調(diào)制IC1的輸出占空比就會變大。因此，電阻R10檢測的充電電流大小決定了脈寬調(diào)制控制芯片IC1的輸出占空比的大小，它們成負(fù)反饋關(guān)系，經(jīng)負(fù)反饋控制作用能實(shí)現(xiàn)充電電流保持恒定。
當(dāng)電池電壓即將達(dá)到充滿時的電壓時，R4和R6組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)檢測的電壓值逐漸上升，接近三端穩(wěn)壓管Z3控制端的2.5V內(nèi)部參考值，此時Z3陰極端電壓逐漸下降，直到約等于2.5V。這段時間D9開始導(dǎo)通，流經(jīng)光電耦合P1原邊二極管的電流是流經(jīng)D9、R7、Z3的電流和三極管Q2集電極電流之和，該電流決定了IC1輸出占空比。隨著電池電壓的不斷升高，充電電流也不斷減小，從恒流充電變?yōu)殇噶鞒潆?，直到?，如附圖2所示。當(dāng)充電電流很小時，三極管Q2截止，充電指示發(fā)光二極管D10熄滅，流經(jīng)光電耦合P1原邊二極管的電流就是流經(jīng)D9、R7、Z3的電流，該電流決定了IC1輸出占空比，使輸出電壓保持恒定。
當(dāng)電池未接時，電阻R10兩端無電壓，三極管Q2不導(dǎo)通，充電器輸出一恒定電壓值，R4和R6組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)檢測的電壓值高于三端穩(wěn)壓管Z3控制端的內(nèi)部參考值2.5V，此時Z3陰極端為低電壓，約等于2.5V，因此D9導(dǎo)通，流經(jīng)光耦P1原邊二極管的電流就是流經(jīng)D9、R7和Z3的電流，該電流決定了IC1輸出占空比，使輸出電壓保持恒定。
充電器電路包括兩個充電指示發(fā)光發(fā)光二極管指示，D11指示輸出電壓，表明電路有電壓輸出；D10指示充電狀態(tài)，表明電路正給電池充電，當(dāng)充電滿時，該發(fā)光二極管熄滅。
由電池內(nèi)部溫度保護(hù)開關(guān)S1、光電耦合P2、電阻R19、R20和可控硅Q3組成溫度檢測保護(hù)電路。當(dāng)電池未接時，R19和光電耦合P2原邊支路斷開，光電耦合P2不導(dǎo)通，可控硅Q3無觸發(fā)信號，也處于截止?fàn)顟B(tài)，因此溫度檢測保護(hù)電路不工作，電路輸出一恒定電壓。當(dāng)接入但電池溫度低時，S1處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電耦合P2原邊壓降為零，光電耦合P2不工作，可控硅Q3也不導(dǎo)通，充電器給電池正常充電。當(dāng)電池溫度高于一定溫度時，S1關(guān)斷，則電池電流經(jīng)過R19和光電耦合P2原邊，光電耦合P2導(dǎo)通，光電耦合P2副邊輸出信號控制可控硅Q3導(dǎo)通，脈寬調(diào)制芯片IC1的7腳電壓被拉低，IC1無電源供給停止工作，從而保護(hù)了電池，防止過充電。保護(hù)動作發(fā)生后，即使電池溫度再變低，由于可控硅Q3自鎖效應(yīng)，保持導(dǎo)通，IC1不會重新工作，必須切斷輸入電源，重新供電，可控硅Q3才能復(fù)位，電路重新工作，這樣有效防止了誤動作。
根據(jù)本實(shí)施例制作的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)作充電實(shí)驗(yàn)，其輸出給多節(jié)1500mAh電池串聯(lián)的18V電池充電，充電電流達(dá)到1A，充電時間1.5小時，電池充滿時電壓為21.5V，電路效率為80％，表明是一種快速高效安全充電器。
本設(shè)計電路能在寬輸入電壓范圍下工作，具有高精度的恒流穩(wěn)壓功能，同時具有短路保護(hù)、溫度保護(hù)功能，能防止電池電流反灌，充電指示簡單直觀，是一款性能價格比高的產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于各種手持設(shè)備電池的充電。
權(quán)利要求
1.電池充電器，它包括輸入整流濾波電路(1)、高頻反激式變換電路(2)、輸出整流濾波電路(3)和輔助電源電路(10)，以及溫度檢測與控制電路(9)，其特征在于一恒流穩(wěn)壓控制電路，由電流電壓檢測反饋電路(4)、光電耦合電路(5)、脈寬調(diào)制控制電路(6)依次串聯(lián)組成，電流電壓檢測反饋電路(4)接于輸出整流濾波電路(3)輸出端，脈寬調(diào)制控制電路(6)接于高頻反激式變換電路(2)的一輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池充電器，其特征是溫度檢測保護(hù)電路由電池溫度檢測(8)、光電耦合P2、脈寬調(diào)制控制電路(6)組成，光電耦合P2連接電池溫度檢測電路(8)的輸出端和脈寬調(diào)制控制電路(6)的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池充電器，其特征是由三極管Q2、光電耦合P1、二極管D9、電容C11，電阻R6、R8、R9、R10組成電流檢測反饋電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池充電器，其特征是由三端穩(wěn)壓管Z3、電阻R3、R4、R6，電容C12組成電壓檢測反饋電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池充電器，其特征是溫度檢測保護(hù)電路由溫度傳感開關(guān)S1，光電耦合P2，可控硅Q3，電阻R19、R20組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池充電器，其特征是高頻反激式變換電路(2)由高頻開關(guān)管Q1、二極管D5、穩(wěn)壓管Z1、電阻R2、R11，電容C4和變壓器T1組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池充電器，其特征是脈寬調(diào)制控制電路(6)由光電耦合電路P1、集成芯片IC1、電阻R15、R16、R17、R18，電容C8、C9、C10組成，光電耦合P1集電極的輸出經(jīng)電阻R15與集成芯片IC1的RT/CT端相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池充電器，其特征是由集成芯片IC1的1腳和2腳與電阻R16、R17、R18和電容C8組成脈寬調(diào)制電路的電壓負(fù)反饋電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電池充電器，它包括輸入整流濾波電路、高頻反激式變換電路、輸出整流濾波電路和輔助電源電路，以及溫度檢測與控制電路，其特征在于一恒流穩(wěn)壓控制電路，由電流電壓檢測反饋電路、光電耦合電路、脈寬調(diào)制控制電路依次串聯(lián)組成。由整流濾波電路將市電交流輸入整流為直流電，再經(jīng)過高頻反激式變換電路隔離輸出直流電壓給電池充電；采用恒流穩(wěn)壓控制電路與脈寬調(diào)制控制芯片結(jié)合進(jìn)行恒流充電及穩(wěn)壓保護(hù)控制；采用溫度檢測控制電路為電池進(jìn)行溫度保護(hù)，防止電池過充電。本發(fā)明具有性能價格比高，安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池等電池的充電。
文檔編號G05F1/46GK1738148SQ200510060349
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月10日
發(fā)明者陳國成, 朱士海, 謝旭明 申請人:陳國成, 朱士海, 謝旭明