专利名称：大功率智能开关电源充电机控制电路的制作方法
技术领域：
本实用新型属于集成电路技术领域，具体涉及一种大功率智能开关电 源充电机的控制电路。
背景技术：
开关电源是利用现代电力电子技术，根据负载对电源提出的输出稳压 或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，通过控制开关功率管来稳定输出电压或电流的一 种电源。开关电源以其体积小、重量轻、效率高、输出稳定等优点得到了广泛应用。目前，对蓄电池的充电就是开关电源的一种典型应用。合理的充电策略对有效延 长蓄电池的使用寿命起着至关重要的作用。常规铅酸蓄电池充电器充电控制策略过于简 单，容易造成过充、欠充，缩短电池的使用寿命，而且多采用小电流慢充方式，导致充电时间 长，效率低，使用很不方便。我国市场上所谓的数字式开关电源一般其实只具有数字显示， 其内部的控制系统还是普遍采用模拟控制，存在控制电路复杂、调试灵活性差、抗干扰能力 差、输出电压电流调节不方便等缺点。另外，目前对铅酸蓄电池充电器和数字开关稳压电源 的研究都是独立的，人们使用的铅酸蓄电池充电器只能给蓄电池充电，开关稳压电源也只 有稳压的功能，不具备对蓄电池的充电功能。发明内容本实用新型的目的在于提供一种大功率智能开关电源充电机的控制 电路，实现对开关电源充电机的稳压、稳流输出，并对其进行监控、定时和自动切换，同时检 测开关电源充电机输出电压、电流并同步显示，从而实现对铅酸蓄电池组的自动充电和智 能保护。为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是一种大功率智能开关电源充电机的控制电路，其特征在于它包括主功率电路、电 源模块、脉宽调制模块、电压/电流取样电路、稳压/稳流切换电路、模数转换电路、微控器、 数模转换电路、保护电路、实时时钟电路、键盘电路和LED电路，其中微控器分别与稳压/ 稳流切换电路、模数转换电路、数模转换电路、保护电路、实时时钟电路、键盘电路和LED电 路连接；脉宽调制模块分别与主功率电路、稳压/稳流切换电路、数模转换电路和保护电路 连接；电压/电流取样电路分别与主功率电路和稳压/稳流切换电路连接；稳压/稳流切换 电路和模数转换电路连接。所述微控器还与PC机接口电路连接。本实用新型提供的上述大功率智能开关电源充电机的控制电路，通过反馈到脉宽 调制模块上的取样电压值或电流值和根据负载要求设置的输出电压值或电流值的比较，来 调节脉宽调制模块的输出占空比，从而达到稳压或者稳流输出的目的。具体来说，根据稳压 或稳流的输出要求，通过电压/电流取样电路和稳压/稳流切换电路将输出电压值或电流 值反馈至脉宽调制模块，和通过键盘、微控器、数模转换电路设置的电压值或电流值进行比 较，从而调节脉宽调制模块的PWM输出；同时，将取样电压或电流通过模数转换电路送入微 控器，通过LED电路实时显示当前输出电压值和电流值。本实用新型由于采用了稳压/稳 流切换电路，当切换至稳压或稳流其中一种输出状态时，在锁定当前输出状态的情况下，仍 可分时采样输出电压和电流，并通过LED电路同步显示。由于设有实时时钟电路，可以显示 工作时间和设定稳压或稳流输出的时间。由于设置的保护电路包括过流保护电路和电源输出短路保护电路，当系统过流或电源输出短路时可以进行自动保护，其中过流保护电路是 通过对输出电流和设定的最大电流的比较，来决定是否关断脉宽调制模块，以实现过流保 护；电源输出短路保护电路是通过检测到电源输出短路信号，自动关断脉宽调制模块，以实 现电源输出短路保护。另外，由于该大功率智能开关电源充电机的控制电路还设有PC机接 口电路，设计了与PC机进行通信的接口，可以实现对充电机的高级管理。本实用新型提供 的大功率智能开关电源充电机的控制电路具有智能化、低功耗、高效率、成本低、实用方便 等特点。
图1是本实用新型的系统结构框图图2a、图2b是本实用新型的电压取样电路图和电流取样电路图图3是本实用新型的稳压/稳流切换电路图图4是本实用新型的模数转换电路图图5是本实用新型的数模转换电路图和过流保护电路图图6是本实用新型的电源输出短路保护电路图图7是本实用新型的实时时钟电路图具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明图1为本实用新型的系统结构框图。如图1所示，本实用新型提供的大功率智能 开关电源充电机的控制电路的实施例中，包括主功率电路、电源模块、脉宽调制模块、电压/ 电流取样电路、稳压/稳流切换电路、模数转换电路、微控器、数模转换电路、保护电路、实 时时钟电路、键盘电路、LED电路和PC机接口电路，其中微控器分别与稳压/稳流切换电 路、模数转换电路、数模转换电路、保护电路、实时时钟电路、键盘电路和LED电路连接；脉 宽调制模块分别与主功率电路、稳压/稳流切换电路、数模转换电路和保护电路连接；电压 /电流取样电路分别与主功率电路和稳压/稳流切换电路连接；稳压/稳流切换电路和模 数转换电路连接。需要说明的是与微控器相连的PC机接口电路是考虑到对充电机进行高 级管理的需要增设的，当不需要此功能时，上述PC机接口电路可以省略。该开关电源充电机控制电路中的电源模块、脉宽调制模块、LED电路、键盘电路和 PC机接口电路为本领域技术人员所公知的现有技术。一般情况下，微控器为单片机，本实施 例中，微控器采用89S52单片机。电源模块采用专用驱动电源JS158。脉宽调制模块采用 脉宽调制器SG3525。LED显示是通过单片机控制MAX7219驱动实现。键盘采用4*4矩阵键 盘，通过74LS21四输入与门接入单片机的外部中断口，采用中断方式编程以提高单片机的 响应速度，减少系统资源的消耗。PC机接口电路采用MAX232实现PC机和单片机之间的电 平转换。图2a、图2b为本实用新型的电压取样电路图和电流取样电路图。其中，电压取样 采用直接电阻分压的方法，由第一分压电阻R1、第二分压电阻R2组成的分压电路对输出的 直流电压Vsa分压，得到符合要求(满足模数转换的输入要求)的电压，即取样电压Vso。第 一分压电阻Rl —端与输出电压Vsa连接，另一端与第二分压电阻R2、滤波电容Cl连接，并 接至取样电压输出Vso;第二分压电阻另一端和滤波电容Cl另一端连接，共同接入地GND。电流取样电路由霍尔电流传感器和放大电路组成，输出的直流电流Isa经霍尔电 流传感器输出后，再经放大电路放大，得到取样电流Iso。采用霍尔元件对电流取样精度高、 线性度好，还可以有效的避免插入损耗。本实施例中采用的霍尔电流传感器是CHB-200S，其额定电流是200A，测量范围为0 士300A;放大电路采用放大器0P07。具体电路连接如 下(1)霍尔电流传感器部分CHB-200S的“ + ” “_”端为其双电源供电端，其中“ + ”连 接+15V电源，“_”连接-15V电源；“M”端为其电流输出端，直接接入第一放大器Fl的同相 输入端3脚。测量电阻Rm和滤波电容C2并接在一块，一端和CHB-200S的“M”端连接，另
一端接地GND。(2)放大电路部分第一放大器Fl采用双电源供电，其4、7脚为-5V与+5V电源 端，分别接-5V与+5V电源，并通过0. IuF的滤波电容C3、C4接地GND ；1、8脚为其失调电压 调整端，通过电位器Rsl连接在一起，Rsl的可调端接至+5V电源；2、3脚为其差分输入端， 其中2脚为反相输入端，通过电阻R3接地GND ；3脚为同相输入端，直接接入CHB-200S的 “M”端；6脚为其输出端，即电流取样电路的取样电流输出Iso，通过电位器Rs2接至反相输 入端2脚。0P07的4脚未定义，故悬空。图3所示为本实用新型的稳压/稳流切换电路图。微控器MCU通过控制第一双D触 发器U1、四双向模拟开关U2来进行稳压、稳流的选通切换，选通后的输出作为脉宽调制器 的反馈输入信号；同时，当通过四双向模拟开关U2切换至稳压或稳流其中一种输出状态 时，在锁定当前输出状态不变的情况下，为了保证对稳压输出或稳流输出时电压值和电流 值的采样显示，微控器MCU还通过控制单八路模拟开关U3来进行电压、电流的分时选通切 换，选通后的输出作为模数转换的输入信号。锁定稳压或稳流输出是通过控制一个双D触 发器的时钟端完成的，当选通为稳压或稳流其中一种输出时，微控器通过模拟开关将D触 发器的时钟端接入地，即可实现对当前输出的锁存。其中四双向模拟开关选用CD4066B， 单八路模拟开关选用M74HC4051，双D触发器选用⑶4013。具体电路连接如下(1)稳压/稳流切换控制的连接微控器MCU的P05 口(34脚)和第一双D触发器 Ul的数据输入端9脚连接，作为稳压/稳流的切换控制端V/I。微控器MCU的P06 口(33 脚)和第一双D触发器Ul的时钟输入端11脚连接，作为稳压/稳流切换的时钟控制端V/ Iclk。第一双D触发器Ul的12、13脚是数据输出端，一对非逻辑正好实现电压或电流的 唯一选通，其中13脚接至四双向模拟开关U2的A路开关的控制端13脚，作为电压选通控 制端SAVO ；12脚接至四双向模拟开关U2的B路开关的控制端5脚，作为电流选通控制端 SAI0。四双向模拟开关U2的1、3脚是其A路开关和B路开关的信号输入端，其中1脚接 电压取样信号Vso，作为取样电压的输入；3脚接电流取样信号Iso，作为取样电流的输入； 2、4脚是其A路开关和B路开关的输出端，连接在一起后接至脉宽调制器，作为脉宽调制器 的反馈输入。(2)电压、电流分时采样的连接锁存稳压或稳流输出并分时采样电压和电流的 实现方法是微控器MCU的PO 口通过控制第一双D触发器Ul、四双向模拟开关U2实现稳 压或稳流输出，微控器MCU的P2 口通过控制单八路模拟开关U3实现稳压或稳流输出时电 压和电流的分时采样，同时，单八路模拟开关U3的分时选通控制信号又与四双向模拟开关 U2的两路开关控制信号连接，以此通过对四双向模拟开关U2的这两路接地信号的选通来 拉低第一双D触发器Ul的时钟输入端的电平，这样就能够实现对当前稳压或稳流输出的锁 存，并能够分时采样电压和电流信号。具体连接如下微控器MCU的P21 口(21脚)和单八路模拟开关U3的选通控制码B (10脚)连接，作为电压采样选通的控制端SAVl ；微控器MCU的P20 口(22脚)和单八路模拟开关U3的 选通控制码A(ll脚)连接，作为电流采样选通的控制端SAI1。单八路模拟开关U3的信号 输入端14、15脚分别与电压取样信号Vso和电流取样信号Iso连接，作为电压、电流分时采 样的输入信号。单八路模拟开关U3的信号输出端3脚接至模数转换电路，作为模数转换电 路的输入信号。单八路模拟开关U3的10、11脚还分别与四双向模拟开关U2的D路、C路 开关的控制端12、6脚连接，四双向模拟开关U2的C路、D路开关的输出端9、10脚连接在 一起后与第一双D触发器Ul的时钟输入端11脚连接，四双向模拟开关U2的C路、D路开 关的输入端8、11脚连接后接地GND。(3)第一双D触发器Ul的其它引脚连接采用单电源供电，14、7脚为其电源端，14 脚接VCC，7脚接地GND ；8脚和10脚为其置位和复位端，连接在一起后接地；1 6脚未用， 均悬空不接。(4)四双向模拟开关U2的其它引脚连接采用单电源供电，14、7脚是其电源端，14 脚接VCC，7脚接地GND。(5)单八路模拟开关U3的其它引脚连接采用单电源供电，16、8、7脚是其电源端， 16脚接VCC, 8,7脚接地GND ；禁止端INH(6脚)接地GND ；选通控制码C (9脚)接地GND ； 信号输入端13、12、1、5、2、4脚均未用，故悬空不接。图4是本实用新型的模数转换电路图。本实用新型采用精度高、抗干扰性能好、 价格低的4位半双积分A/D转换器ICL7135。为了节省微控器的端口资源，本实施例利用 ICL7135的BUSY端与微控器的外部中断端口相连，通过微控器的外部中断和内部的一个定 时器完成A/D转换。微控器MCU的ALE/P端口输出的时钟信号，经第二双D触发器U5四分 频后，作为A/D转换器U4的时钟输入信号。如果微控器MCU使用6M晶振，ALE/P输出为IM 的方波信号，则经过第二双D触发器TO四分频后A/D转换器U4的时钟为250KHz。具体电 路连接如下(1)A/D转换器U4的连接采用双电源供电，1脚接-5V电源，11脚接VCC，24脚接 地GND，3脚接模拟地AGND。参考端2脚通过电位器Rs3、电阻R4接VCC，其中电阻R4 —端 接VCC，另一端接电位器Rs3 ；电位器Rs3可调端接A/D转换器U4的2脚，另一端接模拟地 AGND。积分器输出端4脚通过二极管D1、电阻R7接模拟地AGND，同时，通过电阻R5、电容 C7、电容C8接至自零端5脚，通过电阻R5、电容C7、电阻R6接至缓冲输出端6脚，其中二 极管Dl —端和A/D转换器U4的4脚连接，另一端和电阻R7连接，电阻R7另一端接模拟地 地AGND ；电阻R5 —端和A/D转换器U4的4脚连接，另一端和电容C7连接；电容C7另一端 和电容C8、电阻R6连接；电容C8、电阻R6的另一端分别接至A/D转换器U4的5、6脚。基 准电容负端7脚通过电容C9接至基准电容正端8脚。信号负输入端9脚接模拟地AGND，同 时通过电容ClO接至信号正输入端10脚；信号正输入端10脚通过电阻R8接至待转换的输 入信号，即单八路模拟开关U3的输出信号。忙状态输出端(BUSY) 21脚接至微控器MCU的 外部中断端(INTl) 13脚。时钟输入端22脚接至第二双D触发器U5的第一输出端1脚。(2)第二双D触发器TO的连接采用单电源供电，14脚接VCC，7脚接地GND ;6、8 脚为置位端，4、10脚为复位端，均接地GND ；第一数据输入端5脚接至第一反相输出端2脚； 第二数据输入端9脚接至第二反相输出端12脚；第二输出端13脚接至第一时钟输入端3 脚；第一输出端1脚接至A/D转换器U4的时钟输入端22脚；第二时钟输入端11脚接至微控器MCU的ALE/P端30脚。图5是本实用新型的数模转换电路图和过流保护电路图。本实用新型用了两片D/ A转换器，一片用于将通过微控器设置的电压/电流值进行D/A转换，转换后的值和反馈回 来的电压/电流值进行比较，用以实现稳压、稳流；另一片用于比较限流，将通过微控器设 置的限流值进行D/A转换，当输出电流超过设定值时，立即关断脉宽调制器，以达到过流保 护的目的。D/A转化器采用12位高精度D/A芯片MAX538。具体电路连接如下(1)数模转换电路的连接第一、第二 D/A转换器U6、U7的8、5脚为电源端，8脚接 VCC，5脚接地。6脚为参考输入端，接至由R9、Rs4组成的分压电路中，其中电阻R9—端接 VCC，另一端接电位器Rs4 ；电位器Rs4可调端接第一、第二 D/A转换器TO、U7的参考输入端 6脚，另一端接地GND。第一、第二 D/A转换器U6、U7的数据输入端1脚连接在一起后接至 微控器MCU的POl 口(38脚)；时钟输入端2脚连接在一起后接至微控器MCU的P02 口(37 脚)。第一 D/A转换器U6的片选端3脚接至微控器MCU的P03 口(36脚)；第二 D/A转换 器U7的片选端3脚接至微控器MCU的P04 口(35脚)。第一 D/A转换器U6的输出端7脚 接至脉宽调制器，作为脉宽调制器的同相输入。第一、第二 D/A转换器U6、U7的4脚不用， 故悬空不接。(2)过流保护电路的连接过流保护电路由第二D/A转换器U7和比较放大器F2组 成，取样电流Iso与第二 D/A转换器U7设定的最大电流通过比较放大器F2进行比较，比较 后输出脉宽调制器的关断控制信号。第二 D/A转换器U7的输出端7脚通过电阻Rll接至 比较放大器F2的反相输入端2脚，作为设定限流值的输入端；取样电流Iso通过电阻R12 接至比较放大器F2的同相输入端3脚，作为取样采样电流值的输入端；同时比较放大器F2 的3脚还通过电阻RlO接地GND ；比较放大器F2的输出端6脚通过电阻R13反馈至比较放 大器F2的反相输入端2脚；同时比较放大器F2的输出端6脚接至脉宽调制器。比较放大 器F2其它引脚的连接和图2b电流取样电路中第一放大器Fl的连接一致。图6所示为本实用新型的电源输出短路保护电路图。电源输出短路保护电路由第 二放大器F3、驱动器F4和光耦U9组成。当电源输出发生短路时，取样电压Vso经过第二放 大器F3、驱动器F4送至光耦W ；此时光耦工作，将信号输出至脉宽调制器的外部关断信号 输入端，使之停止工作，以实现对整个系统的自动保护。具体电路连接为(1)第二放大器F3采用0P07，其同相输入端3脚接电压取样信号Vso，输出端6脚 接驱动器F4的1脚，其余引脚的连接和图2b电流取样电路中第一放大器Fl的连接一致。(2)驱动器F4采用74F07，其1脚接第二放大器F3的输出端6脚，另一脚接光耦 U9的2脚。(3)光耦U9采用TIL191，其1脚通过电阻R15接+5V电源VCC，2脚接驱动器F4 的2脚；3脚通过电阻R17接模拟地AGND，同时通过二极管D2接至脉宽调制器；4脚通过电 阻R16接+12V电源。图7为本实用新型的实时时钟电路图。采用DS1302串行时钟来实时显示时间以 及对输出稳压和稳流定时。DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以 对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。具体电路连接为时钟芯片UlO 的1、8、4脚为电源端，1脚为主电源，接VCC，8脚为后备电源，通过3. 6V的电池接地GND，4 脚接地GND ；2脚通过32. 768KHz的晶振Y2接至3脚，作为其振荡源输入端，同时，晶振Y2两端分别通过电容C17、C18接地GND;5脚接至微控器MCU的P24 口(25脚)，作为其复位 /片选控制信号；6脚接至微控器MCU的P07 口(32脚)，作为其输入/输出控制信号；7脚 接至微控器MCU的P25 口(26脚)，作为其时钟控制信号。本实用新型提供的上述大功率智能开关电源充电机控制电路，其工作过程为系 统上电，完成对各部件的初始化以后，由键盘或者PC机选择稳压或者稳流输出方式；之后 再由键盘或者PC机输入稳压/稳流值，稳压/稳流的定时时间；开始充电后，LED显示当前 输出电压、电流值和工作时间；当设定的稳压/稳流时间到后，系统会自动切换至稳流/稳 压方式继续工作，直到充电结束。当由于负载变化或其他原因导致过流或者输出短路时，系 统会自动关断脉宽调制器SG3525，以实现对充电系统的智能保护。上文中，参照附图描述了本实用新型的具体实施方式
。但是，本领域中的普通技术 人员能够理解，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以对本实用新型的具体 实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本实用新型权利要求书所限定的范围 内。
权利要求一种大功率智能开关电源充电机的控制电路，其特征在于它包括主功率电路、电源模块、脉宽调制模块、电压/电流取样电路、稳压/稳流切换电路、模数转换电路、微控器、数模转换电路、保护电路、实时时钟电路、键盘电路、LED电路和PC机接口电路，其中微控器分别与稳压/稳流切换电路、模数转换电路、数模转换电路、保护电路、实时时钟电路、键盘电路和LED电路连接；脉宽调制模块分别与主功率电路、稳压/稳流切换电路、数模转换电路和保护电路连接；电压/电流取样电路分别与主功率电路和稳压/稳流切换电路连接；稳压/稳流切换电路和模数转换电路连接。
2.根据权利要求1所述的大功率智能开关电源充电机的控制电路，其特征在于所述 微控器还与PC机接口电路连接。
3.根据权利要求1或2所述的大功率智能开关电源充电机的控制电路，其特征在于 所述的保护电路包括过流保护电路和电源输出短路保护电路，其中过流保护电路由第二 D/A转换器(U7)和比较放大器(F2)组成，取样电流(Iso)与第二 D/A转换器(U7)设定的 最大电流通过比较放大器(F2)进行比较，比较后输出脉宽调制器的关断控制信号；电源输 出短路保护电路由第二放大器(F3)、驱动器(F4)和光耦(U9)组成，取样电压(Vso)经第二 放大器(F3)、驱动器(F4)送至光耦(U9)，再由光耦(U9)输出脉宽调制器的关断控制信号。
4.根据权利要求1或2所述的大功率智能开关电源充电机的控制电路，其特征在于 所述电压取样电路由第一分压电阻(Rl)、第二分压电阻(R2)构成的分压电路实现，输出的 直流电压(Vsa)经分压电路分压，得到取样电压(Vso)；所述电流取样电路由霍尔电流传感 器和放大电路组成，输出的直流电流(Isa)经霍尔电流传感器输出后，再经放大电路放大， 得到取样电流(Iso)。
5.根据权利要求1或2所述的大功率智能开关电源充电机的控制电路，其特征在于 所述的稳压/稳流切换电路是通过微控器(MCU)控制第一双D触发器(Ul)、四双向模拟开 关(U2)选通输出稳压或稳流信号，作为脉宽调制器SG3525的反馈输入信号；通过微控器 (MCU)控制单八路模拟开关(U3)选通输出电压和电流的分时采样信号，作为模数转换的输 入信号。
6.根据权利要求1或2所述的大功率智能开关电源充电机的控制电路，所述的模数转 换电路采用A/D转换器ICL7135，A/D转换器ICL7135的BUSY端与微控器的外部中断端口相连，通过微控器的外部中断和内部的一个定时器完成A/D转换；微控器(MCU)的ALE/下端口输出的时钟信号，经第二双D触发器(U5)四分频后，作为A/D转换器(U4)的时钟输入信号。
7.根据权利要求1或2所述的大功率智能开关电源充电机的控制电路，其特征在于 所述的数模转换电路采用D/A芯片MAX538。
专利摘要一种大功率智能开关电源充电机的控制电路，其微控器分别与稳压/稳流切换电路、模数转换电路、数模转换电路、保护电路、实时时钟电路、键盘电路和LED电路连接；脉宽调制模块分别与主功率电路、稳压/稳流切换电路、数模转换电路和保护电路连接；电压/电流取样电路分别与主功率电路和稳压/稳流切换电路连接；稳压/稳流切换电路和模数转换电路连接。该电路能够实现对开关电源充电机的稳压、稳流输出，并对其进行监控、定时和自动切换，同时检测开关电源充电机输出电压、电流并同步显示，从而实现对铅酸蓄电池组的自动充电和智能保护。另外，还设有PC机接口电路，可以实现对充电机的高级管理。具有智能化、低功耗、高效率、实用方便等特点。
文档编号H03M1/12GK201766400SQ201020106299
公开日2011年3月16日 申请日期2010年1月30日 优先权日2010年1月30日
发明者佘乾顺, 张维昭, 摆玉龙, 杨志民, 王睿庭, 范满红, 赵丹, 郑杰, 马智峰, 马永杰, 马胜前 申请人:西北师范大学