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该系统设计的主要思路是分模块进行设计分析,采用至上而下的方法先整体而后具体进行设计,本电路包括变压模块、整流滤波模块、DC-DC转换模块、充电电路模块、升压电路模块、切换电路模块等几大模块,经过合理有机结合组成了不间断直流工作电源。
其中我们把变压模块和整流滤波模块合在一起做。
流程图如图所示
2、单元模块设计:
2.1变压与整流滤波模块分析
变压原理:
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电时,铁心中是产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压。
变压器有铁心和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈。
通过的线圈匝数比达到变压的目的,如下图所示:
整流滤波原理:
整流电路有半波整流、全波整流和桥式整流。
输入端是从变压器的输出端达到变压后的交流,而后交流电流经过整流电路,现在常用到的是桥式整流。
桥式整流电路是有多只二极管作桥式连接,桥式整流性能优良,整流效率高,稳定性好,最大整流电流从0.5A到50A,最高反向峰值电压从50V到1000V。
在这个模块中,我们也采用桥式整流电路。
图3(a)桥式整流电容滤波电路(b)波形图
桥式整流电容滤波:
当电路采用电容滤波,输出端空载,如图3(a)所示,设初始时电容电压uC为零。
接入电源后,当u2在正半周时,通过D1、D3向电容器C充电;
当在u2的负半周时,通过D2、D4向电容器C充电,充电时间常数为
。
图4给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。
接通交流电源后,二极管导通,整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。
在t1时刻,即达到u290°
峰值时,u2开始以正弦规律下降,此时二极管是否关断,取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。
电容滤波一般负载电流较小,可以满足td较大的条件,所以输出电压波形的放电段比较平缓,纹波较小,输出脉动系数S小,输出平均电压UO(AV)大,具有较好的滤波特性。
图4(a)带载时桥式整流滤波电路(b)波形图
以上滤波电路都有一个共性,那就是需要很大的电容容量才能满足要求,这样一来大容量电容在加电瞬间很有很大的短路电流,这个电流对整流二极管(反向耐压值)和变压器冲击很大。
2.2DC-DC降压变换与升压电路模块
DC-DC降压变换模块:
MC34063是一种新型单片升降压DC-DC变换器集成电路,其输入电压为3~40V,输出电压可调,输出开关电流可至l.5A,并有温度补偿参考电压源,有电流限制功能。
该集成电路只需配用少量外部元件,就能组成升压、降压、电压反转型DC-DC变换器,可广泛应用于各种便携式仪器、仪表等设备。
用它制作的20→5VDC-DC降压变换电源如图所示
降压电路
升压电路模块:
MAX668/MAX669是固定频率的工作于电流模式的PWM控制器,功率可超出20W且可调,效率可达90%。
宽范围的输入电压(1.8~28V)使其可接受多种电源输入,具有可调节的频率范围(100~500kHz)、可外同步运行等特点,使其对外接元件的尺寸和成本的优化更为方便,可以实现对于敏感频率和开关谐波的隔离。
两种器件同时具有数控软启动功能、逻辑控制的停机模式、用户设置的峰值电流以及输出容量12mA的5V线性稳压器等。
但是它的外围电路比较多,电流较小。
因此,我们同样采用MC34063设计升压电路,电路图如下所示:
升压电路(boost)
2.3充电电路模块
锂电池的充电过程分两个阶段进行,首先用恒流充电到4.2V+0.05V,即转入4.2V+(-)0.05V恒压的第二阶段充电,恒压充电会随着时间的推移而逐渐降低,待充电电流降到一定数值时,表明电池已充到额定容量的93%或者94%,此时即可以为基本充满,如果继续充下去,充电电流会慢慢降到0,电池完全充满。
约需2小时可将电池电压(放电到0.3V的电池)充到4.2V,再转入恒压充1小时左右,即可结束充电。
整个充电过程约需3小时,当充电电流大时时,第一阶段的充电时间将减少。
图5充电电路
该充电电路主要由恒流源、恒压源和电池电压检测控制三部分组成。
其工作原理为:
市电经变压器降压、整流滤波,由IC1构成恒流源经继电器J的常闭触点向电进导通,继电器进行第一阶段恒流充电;
当电池的电压上升到由IC3组成的电压比较器所设定的4.2V时,电压比较器输出高电平,经R7、ZD2触发可控硅,SCRJ的电吸合,J-1的常闭触点断开,常开触点接通,转为由IC2组成的恒压源进行第二阶段的恒压充电,电池的电压会有所下降,电压比较器又会转为输出低电平,但由于可控硅出发后的自保持特性就可消除这一影响。
ZD2和C5的作用是消除误触发,D5的作用是防止电池电流倒流而损坏IC1。
元器件选择:
IC1、IC2用可调三端稳压集成电路LM317,恒流源的电流大小由R1的阻值大小决定,其电流大小的计算方法为:
电阻R1的功率>
=2W,我们选用的阻值是1.8欧姆,恒压源电压的高低由R2、R3的比值决定。
按LM317使用手册的推荐,R3的阻值在120欧姆——220欧姆之间选取,电压高低的计算方法为,1.25(
)。
IC3选用多圈精密可调电阻,可控硅SCR选用小电流的单向可控硅,我们用的是MCR100-8的1A单向可控硅。
D1—D5应选用工作电流大于3A的二极管。
另外因第一阶段的充电电流较大,充电器输出到电池座的导线应选用较粗的。
2.4短路保护和欠压保护模块
保护电路的设计,无疑是电源设计中一个非常重要的环节,它对于提高电源工作的安全可靠性、延长电源的使用寿命都起着十分重要的作用。
短路保护:
保证当发生短路时,或接近于短路电流数值的电流出现时,可以可靠地切断电源。
我们采用的是一种经典的短路保护电路,电路图如下所示:
刚上电:
C2两端电压不能突变,Q2基极电压由VCC开始下降,下降到Q2可以导通(BE结压降取0.7V),这个时间大概是0.12mS.但是同时Q1也在起到阻止Q2导通的作用,Q1导通的时间大概是:
5.87mS也就是说Q2在5.87mS后才会导通,但是同时C3在阻止Q3的导通,阻止时间是0.17mS。
Q3在上电0.17mS后导通,负载得电,Q3C极电压达到13.3左右,迫使Q2截至,由此可见Q1可以去掉。
短路时,Q3集电极C极被拉低,Q2导通,形成自锁,迫使Q3截止,Q3截至后面负载没有电压,这时有没有负载已经没有关系了,所以即使拿掉负载也不会有输出。
欠压保护:
进线电源欠压对开关电源造成的危害,主要表现在器件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损坏,同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。
因此对输入电源的上限和下限要有所限制,为此采用欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。
我们选择的欠压保护电路如下图所示
欠压保护电路
当VDD(+15V)过压后,使D1击穿Qa1导通,后面一个Qa1截止,集电极C为高电平通过R5(33K)
反馈到前一个Qa1的基极,使其迅速的饱和导通,从而锁定后面脉冲输出。
2.5切换电路模块
切换电路实现的功能是:
当交流市电断开时,自动转换到蓄电池供电;
当交流市电恢复时,自动转换到交流市电供电,并且同时给蓄电池充电。
我们设计的切换电路图如下所示:
V38:
3.9V稳压二极管;
V32:
9013PNP型高频功率三极管;
V33:
9012PNP型高频功率三极管;
V43:
IN4148开关二极管
图中的V38,R70,R71,V33和V32实际上构成了一个电源低电压检测和控制电路。
主电源+5V正常供电时V38稳压二极管正常导通,这样在R70上产生1V多的电压,此电压通过R71使V32的B-E结导通,所以V32处在全导通状态,其集电极C上的电压近似为0,这样V33的B-E结也导通,V33也处于全导通状态,此时VO=VCC,后面的负载由主电源供电,同时VCC通过R87和V43对“电池“进行充电。
现在分析关闭主电源的瞬间。
外+5V电源刚被关闭的时候,电源电压从+5V开始下降,当电压降到约4.2V时,V38截止,R70上的电压失去,V32失去B-E结导通电压,因而也进入截止状态,同样道理,V33也立即截止,VCC就无法通过V33,此时改由“电池”通过R74供电。
2.7各单元模块的联接
3、系统功能、指标参数:
该不间断直流工作电源系统适用于低功率应用场合下的数据断电保护。
其主要功能和性能指标是:
·
输入电源可选择220V交流市电、4.2V蓄电池;
输出电压为+5V,1A;
具有市电优先功能:
当交流市电恢复时,自动转换到交流市电供电,并且同时给蓄电池充电;
蓄电池充电为先恒流(200mA)充电,当电压达到4.2V时,改为恒压充电,当充电电流小于20mA时停止充电;
具有短路、欠压(<
3V)保护;
4、设计总结:
本设计有效利用了恒流恒压方式充电,保证蓄电池满容量、延长使用寿命的最佳方案,利用LM317和MC34063实现充放电控制电路简单、成本低、可靠性高。
其设计过程(外围电路)简单,具有体积小、重量轻、稳定,适用性强,充电电路工作效率高,其内部有开关型低压差降压式DC-DC变换器供电,保护功能齐全和使用方便等一系列有点。
器件介绍:
LM317是可调节三端稳压集成电路,在输出电压范围为1.2伏到37伏时能提供超过1.2安电流。
此稳压器非常易于使用,只需要两个外部电阻来设置输出电压。
LM317服务于多种应用场合,包括局部稳压、卡上稳压;
或者通过在调整点和输出之间接一个固定电阻,LM317可用作一种精密稳流器。
输出电流超过1.5安,
输出在1.2伏和37伏之间可调节
不随温度变化的内部短路电流限制
LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放,适用于电压范围很宽的单电源,而且也适用于双电源工作方式,它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。
LM358引脚图
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- 关 键 词:
- 不间断 直流电源