基于UCC3895與PIC單片機的智能充電器的設計

采用新一代移相PWM控制芯片UCC3895和PICl6F917單片機，針對常用的鉛酸蓄電池設計開發了一種智能充電器，介紹了其硬件設計思路和軟件實現方法，并提出了智能控制策略。
關鍵詞：UCC3895；PIC；智能充電器

0 引言
??? 現代通訊設備、電子產品、電動車輛、UPS等普遍采用蓄電池作為電源，然而多數充電設備功能單一，通用性差，維護質量低，導致產品的使用效率大大降低。本文采用UCC3895和PIC單片機，針對常用的鉛酸蓄電池，設計開發了一種智能充電器。
??? UCC3895是TI公司生產的專用于PWM移相全橋DC／DC變換的新型控制芯片，可工作于電壓模式，也可工作于電流模式，并且可實現輸出脈沖占空比從0到100％相移控制，軟啟動和軟停止可按要求進行調節；內置7MHz帶寬的誤差比較放大器；具有完善的限流及過流保護、電源欠壓保護，基準欠壓保護、軟啟動和軟停止等功能。
??? PICl6F917型單片機與UCC3895共同組成控制器部分，相對于僅使用單片機作為控制器的方式，具有響應速度快，控制精度高，軟件設計簡單，運行穩定等優點。

l 總體結構
??? 如圖l，充電器的供電部分采用開關電源，其輸入為220V交流市電，整流濾波后，一部分為控制電路的數字器件提供輔助工作電源和參考電壓，另一部分經全橋逆變轉換為高頻交流電，再進行高頻整流濾波，為蓄電池提供0～60V脈沖直流電。PIC與UCC3895配合構成閉環控制電路，通過比較用戶設定值和采樣得到的反饋值，在充電過程中的不同階段對逆變器進行PWM控制，同時PIC完成顯示和報警等功能。

2 硬件設計
??? 1)主電路設計
??? 如圖2，充電主電路采用移相控制全橋ZVT—PWM變換技術，利用功率MOS管的輸出電容和輸出變壓器的漏電感作為諧振元件，使FB—PWM變換器四個開關管依次在零電壓下導通，實現恒頻軟開關，減少了開關損耗，可保證變壓器效率達80—90％，并且不會發生開關應力過大的問題。

??? 2)控制電路設計
??? 控制電路分為兩部分。第一部分為前級控制器，由UCC3895及其外圍電路組成，用來生成PWM脈沖，實現對開關管的控制。第二部分為后級控制器，由PIC和TLV5618及其外圍電路組成，實現用戶設定、采樣、顯示、計時、報警、主電路通斷等充電過程的管理功能。

(1)前級控制電路
??? 引腳電路功能分析
??? 如圖3，腳1和腳20是誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端，其中腳20外接Uc，Uc是后級控制器送來的輸出電壓控制信號，經隔離后，在這里作為誤差放大器的基準電壓。腳2為誤差放大器的輸出端，內接PWM比較器的非反相端，外接EA與l腳。當充電開始時，充電電流較大，取樣電流與設定電流比較后接在PWM的非反相端，從而調節PWM輸出脈沖寬度；當充電末了，充電電流較小，充電電壓變大，2腳依靠誤差放大器反饋控制調節PWM輸出脈沖寬度。

??? 腳3為PWM比較器的反相輸入端，外接7腳和取樣電流電路。充電初始階段，充電電流較大，電路工作在峰值電流模式下，反饋信號主要由取樣電流提供，它與同相端比較后，調節PWM輸出脈沖寬度。充電中后期，充電電流變小，充電電壓穩定，電路工作在電壓模式下，該端接CT(引腳7)上的鋸齒波信號。
??? 工作過程原理分析
??? 充電器電壓信號由傳感器取出，加到UCC3895的1腳。充電初期，電池兩端電壓很低，充電電流很大，電路工作在峰值電流模式下，電壓反饋對控制電路影響比較小，這時電路主要靠電流反饋工作，采樣電流VI經過比較后加到PWM比較器的非反相端，IA、IB經過整流后加到PWM比較器的反相輸入端，由兩者的大小調節PWM比較器輸出脈沖的寬度(如圖4)；充電中后期，電壓變大，充電電流變小，電路工作在電壓模式下，電壓信號加到誤差放大器的反相端與設定的基準值比較后送至PWM比較器的非反相端，7腳輸出的鋸齒波信號接在PWM比較器的反相端，由兩者的大小調節PWM比較器輸出脈沖的寬度(如圖5)。由芯片外圍電路可以看出，它具有兩個閉環控制調整電路，其一是電壓控制閉環電路，電壓取樣信號加在誤差放大器反相端，與后級控制器送來的同相端基準電壓比較，產生誤差信號，加在PWM比較器反相端。其二是電流控制閉環電路，輸出電流取樣信號與后級控制器送來的電流信號比較后加在PWM比較器非反相端，它與反相端信號比較后產生控制信號，從而決定輸出脈沖的寬度。

??? (2)后級控制電路
??? 參數設定與顯示部分
??? 如圖6，PIC的RD0～RD5設為輸入，外接6個按鍵，分別為4個方向鍵、確定鍵、取消鍵，用于接收用戶的參數設定值，如電池標定電壓、充電電流、充電時間，單片機將這些設定值存儲于EEPROM中。RC0～RC7設為輸出，外接顯示屏的數據端，用于顯示當前的工作狀態和用戶設定確認。

采樣部分
??? 由于PIC的RA0～RA2可同時作A／D通道，用來接收采樣的電池電壓、充電電流、電池溫度，將其轉換為十位二進制數存儲。其中充電電流通過一個外接檢測電阻，轉換為電壓值線性計算得到，電池溫度通過溫度傳感器TC1047得到。
??? 控制輸出與報警部分
??? TLV5618與單片機相連，串行接收RB0送來的代表用戶設定值的數字信號，完成DA轉換，將得到的模擬量通過OUTA(控制電壓VKV)和OUTB(控制電流VKI)輸出，為UCC3895提供基準電壓和基準電流。RB3、RB4設為輸出，用于控制主電路通斷(SWITCH)和驅動報警設備(BUZZ)。RB5設為輸入，接收報警信號(ALART)。

3 軟件設計
??? 根據鉛酸蓄電池的充電特性，為提高充電效率，延長電池壽命，實現快速充電，本文采用三階段智能識別充電法。如表l所示，以12V鉛酸蓄電池為例，在不同溫度下各充電階段選擇不同的轉換電壓，轉換電流和浮充電壓。
??? 1)主程序
??? 充電主程序主要完成各功能部分的初始化、循環采樣、顯示輸出實時狀態、判斷充電階段、充電計時、故障報警等工作，其流程圖如圖7所示。

??? 2)恒流充電階段

圖8為恒流充電階段的流程圖。單片機按照設定充電電流值控制UCC3895使主電路輸出恒定電流，根據當前溫度以查表的方式取得恒流到恒壓階段的轉換電壓，采樣電池電壓，當電池電壓超過轉換電壓時，該階段結束，進入恒壓充電階段；若未超過，繼續采樣。過程中同時判斷是否有過流(此時ALART=1)或到達設定充電時間，以確定是否停止充電。

??? 3)恒壓充電階段
??? 圖9為恒壓充電階段的流程圖。單片機按照當前電池電壓值控制UCC3895使主電路輸出恒定電壓，采樣電流，若電流小于浮充階段轉換值，該階段結束，進入浮充階段；若不小于，繼續采樣。過程中同時判斷是否有過壓(此時ALART=1)或到達設定充電時間，以確定是否停止充電。

??? 4)浮充階段
??? 該階段蓄電池已充滿，為了補充蓄電池自放電的能量損失，單片機按照表l浮充電壓值控制UCC3895使主電路輸出恒定電壓，給蓄電池一微小的充電電流，同時判斷蓄電池的充電電壓和電流，以便在恒壓充電和恒流充電階段間轉換，判斷充電時間，若充電時間到，斷開主電路(SWITCH=0，停止充電。流程圖與恒壓階段類似。

4 結束語
??? 以UCC3895和PIC單片機為控制器設計的智能充電器，可對常用的12V～48V鉛酸蓄電池進行充電，能夠保證電池的充足率，并且保證不會過充。整個充電器體積小，結構簡單，成本低，具有良好的充電管理和維護功能，而且有利于延長電池的使用壽命，具有非常高的實用價值和推廣價值。