(原创技术资料)电动自行车智能三阶段充电器的工作原理及实用技术资料

1电动自行车智能三阶段充电器的工作原理及实用技术资料王赟2010.12.28.我国电动自行车产业的飞速发展为电器维修行业提供了新的利润增长点。充电器作为电动自行车的易损配套设备，其维修市场潜力巨大。虽然目前的主流充电器都采用了开关电源式设计，但其控制过程与彩电、彩显等设备的开关电源有着明显的不同。从电动自行车充电器的维修实际以及国内众多电子技术论坛的会员求助情况来看，很多维修人员对电动车充电器的工作过程和三阶段充电原理不明白，而且目前现有的技术资料对此鲜有论述，读者难以理解，因此在检修中缺少必要的理论指导，遇到简单的故障尚能排除，一旦遇到稍具难度的故障或者比较复杂的故障，检修便难以进行，而且存在很大的盲目性。本文从电动车充电器的维修实际出发，围绕目前电动车市场上的主流充电器电路，用浅显易懂的语言，详尽地剖析2种典型的智能式三阶段充电器的工作原理和检修方法，并提供8个有实用价值的维修实例和13张代表性图纸以及6种典型充电器的三阶段充电过程中的实测数据等相关技术资料，供维修中参考。一、电动自行车智能三阶段充电器的工作原理当今的电动自行车充电器，大量地采用了以PWM脉宽调制集成电路TL494N或者KA3842（UC3842）为核心控制电路，组成智能式开关电源，分三个阶段为蓄电池提供充电电压和电流。由于目前我国的电动自行车普遍采用了36V／12AH的铅酸蓄电池，所以这里以适合于这种蓄电池的36V充电器为例，对采用TL494N和KA3842的电动自行车三阶段充电器的工作原理进行介绍。1、以TL494N为核心的充电器工作原理。参照型号为天津“彪”牌电动自行车采用的SP2000三阶段充电器。预备知识：首先说一下什么是三阶段充电器。三阶段充电器属于智能控制的能自动转换充电模式的充电器，所谓三阶段是指恒流充电阶段、恒压充电阶段、涓流充电阶段（又叫浮充阶段）。在恒流充电阶段，充电电流是不变的，但输出电压在变。电路根据充电电流的情况自动调整输出电压才能使电流保持在恒定的状态，一方面表现在当充电电流增大时，电路能自动降低输出电压，使电流减小，维持恒定；另一方面，随着蓄电池充进电量的增多，蓄电池两端电压会不断上升，为了防止充电电流变小，因此开关电源的输出端电压必须随着充电过程而逐渐上升。在这个阶段，充电电流较大，一般设定在1.8A左右；恒压充电阶段是指当蓄电池的电压升高到设定的恒压值时，开关电源的输出电压便保持不变（不再升高），而充电电流则根据蓄电池的充电情况不断减小。该恒压值一般设定为44.4V-44.8V左右；涓流充电阶段是指当充电器基本充满（充电电流减小到200－300毫安）时，电路根据检测到的充电电流会自动减小开关电源的输出电压，此时输出电压固定，充电电流继续逐渐减小，约两小时后充电结束。结束后，充电电流保持在几十毫安以下或者几毫安以下甚至更低。以上三个阶段的转换是依靠相关集成电路来检测充电电流和输出电压进而根据既定的模式自动实现的。目前厂家提出的“智能型”、“自动控制型”、“全自动”等充电器，如无特殊说明，一般都是指具有三阶段控制功能的充电器。值得一提的是，有的厂家在三阶段充电器的基础上增加了负脉冲充电功能，对于延长蓄电池的使用寿命有着积极的作用。有必要说明的两点：1、恒流充电电流的数值是根据下列公式确定的：12（安时）×1.2(效率)÷8（小时）＝1.8A其中，12安时是指蓄电池的容量，8小时是指标准规定的充电总时间，1.2效率是一个定值。可见，蓄电池的容量是确定恒流值的一个关键因素。22、恒压充电的电压值的计算方法：蓄电池单格电压（V）×蓄电池的格数（个）＝恒压充电电压（V）从目前的电动车充电器设置的恒压充电电压值来看，是按照蓄电池单格电压2.47V-2.49V来设计的。36V蓄电池由3块12V蓄电池串联而成，每块12V蓄电池有6格，这样计算出的恒压充电电压值为：（2.47V-2.49V）×（3×6）＝44.4V-44.8V但是，按照要求，密封电池的充电恒压值在2.4V/单格为最佳，这样，标称36V的电动车的电池最高充电电压应该在43.2V为宜。之所以把恒压设置为44.4V-44.8V，也是出于对充电时间和蓄电池“充满”来考虑的，但这样容易造成蓄电池失水，缩短蓄电池的寿命，其利弊关系以后将有专文论述，这里只要知道恒压电压值是怎样确定的就可以了。其次，要认识一下TL494N。TL494N是美国得克萨斯公司专门为开关电源设计的振荡和PWM控制器，它能输出频率固定、脉宽可调的矩形脉冲，即定频调宽，来控制电源开关管的导通情况。它内部由一个振荡器（OSC）、两个比较器（静压时间比较器也叫死区时间比较器、PWM比较器）、两个误差放大器、一个触发器、双与门、双或非门、一个+5V基准电压源（Vref）、两个PNP输出晶体管组成。芯片内的振荡器可工作在主动方式，也可工作在被动方式。激励输出可工作在推挽方式，也可工作在单端输出方式。在推挽输出方式时，它的两路激励脉冲相差180O；而在单端输出方式时，它的两路激励脉冲是同频同相的。它不仅可产生脉冲电流，还可控制充放电三极管的导通与截止及其导通、截止、静压时间，在一个芯片内同时解决了电流控制、脉宽调制以及最大电流限制，另外还具有一些附加监控保护功能。正是由于以上特点，使得TL494N在电动车上得到了广泛的应用，它不仅在电动车充电器上占据了“半壁江山”，同样在电动车控制器上也在大量使用，因此，全面认识TL494N的意义是很大的，其内部结构见图1。主要引脚功能介绍：1脚是IC内部误差比较放大器1的同相输入端。该脚与输出端1（在IC内部，与IC的3脚相连）的输出端的关系是：该脚电压上升，输出端1电压上升。在电动车充电器中，该脚往往被用作输出电压的控制取样输入端。2脚是IC内部误差比较放大器1的反相输入端，一般用作放大器基准电压输入端。在电动车充电器中，该脚往往被用作放大器的参考电压输入端。15、16脚分别是内部误差比较放大器2的反相输入端和同相输入端。在电动车充电器中，15脚往往被用作充电电流的控制取样输入端，而16脚则一般接地（参考电位为0V）。因此，15脚电压的变化会引起输出端2（也在IC内部，与3脚相连接）电压的变化，可以控制输出电压的高低，进而控制充电电流。3脚是IC内的误差比较放大器1和误差比较放大器2的公共输出端，其输出表现为或输出的控制特性，即在上述两个误差放大器中，输出幅度大者起作用。也就是说，若两个误差放大器之中有一个输出高电平，那么3脚就会变为高电平。当3脚输出电平变高时，经IC内部电路反相使输出端8、11脚送出的激励脉冲宽度变窄，充电器的输出电压降低；当3脚输出电平变低时，经反相使输出端8、11脚送出的激励脉冲宽度变宽，充电器的输出电压升高。可见，输出电压的变化规律是按照输出端为高电平的那个误差放大器所检测的变化而变化的。认识这两个放大器的关系和输出特点，对于正确理解恒流充电阶段和恒压充电阶段的转换和控制原理非常重要。在本IC中，这两个误差放大器通常是一个用于电压控制，另一个用于电流控制。至于哪一个用作电压控制，哪一个用作电流控制，是没有特别规定的，可任意选用。但习惯上把误差放大器1（即1、2脚内部）用作电压检测与控制，误差放大器2（即15、16脚内部）用作电流检测与控制。两个误差放大器输出的信号，在IC内部通过两个二极管加到PWM比较器的同相端，对输出激励脉冲的控制采用放大器输出电平和锯齿波电平相比较来控制输出脉冲的宽度，该信号电压超过3.5V时，输出脉冲宽度将下降到0。因此，按要求适当处3理两个误差放大器的接脚，充电器即可实现过电流限制和电压限制功能。4脚是静压电平控制端。在该脚施加不同的电压，可对输出激励脉冲的最大宽度进行调整，使其不超过180O，这样可以保护开关管。在正常工作状态，两个开关管是轮流导通的，一个开关管从导通变为截止的瞬间，另一个开关管必须延迟一段时间再工作，也就是说，要等到第一个开关管完全截止以后，第二个开关管才能导通工作，这样可以避免两个开关管同时导通造成危害。这个时间间隔就称为“静压时间”。可见，在“静压时间”内，两个输出端（8、11脚）都输出低电平，因此，静压时间也叫“死区时间”。改变4脚的电压可设置静压时间，进而改变激励脉冲的占空比。当该脚为5V时，8脚和11脚都无激励脉冲输出（占空比为0），两个开关管都截止，开关电源输出为0V；该脚接地时，输出最大占空比为96%；该脚为-0.3V时，输出最大占空比为100％。可见，8、11脚输出脉冲的占空比大小与4脚的关系是：4脚电压越高，8、11脚输出的激励脉冲占空比越低；反之，8、11脚输出的占空比越高。在电动车充电器中，该脚电压一般取0.45V左右。5脚、6脚内部是振荡器，5脚外接振荡定时电容，6脚外接振荡定时电阻。振荡器的锯齿波频率由5脚外接电容Ct和6脚外接电阻Rt值共同决定，其计算公式为：f=1／(Ct×Rt)。8、9、10、11脚：这4个引脚分别是IC内部两组输出三极管的集电极和发射极，直接从IC内部引出，可做射极跟随或者集电极输出，每组输出三极管的工作电流可达200mA。在电动车充电器中，一般把8、11脚用作PWM激励输出，9、10脚接地。8脚和11脚直接推动三极管，三极管的型号一般选用2SC1815。8脚、11脚的直流电压与开关电源输出电压的关系是：8、11脚的直流电压越低，开关电源的输出电压越高；反之，输出电压越低。12脚是供电端VCC。13脚是功能控制选择端，也是内部电路复位控制端，用来控制两路输出的工作状态。该脚接5V时，形成双路工作状态，即控制两路输出三极管交替工作；该脚接地时，形成单路工作状态，可使被驱动的两个三极管同时导通、同时截止。在电动车充电器中，该脚一般接高电平5V。14脚是内部5V基准电压（Vref）输出端。该电压提供IC内部各部分的基准电压，还用于确定限流值、控制死区范围和软启动回路的电源。在电动车充电器中，13、14脚一般连接在一起使用。7脚是接地端。第三，还要熟悉四运算放大器LM324。LM324是电动车充电器中常用的IC，主要用于充电状态检测转换控制和指示控制。无论是采用TL494还是采用KA3842的充电器，都可采用LM324来协同完成三阶段充电的控制，只是在不同的充电器中，LM324的具体用法有所不同罢了。LM324内部含有四个形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四个运放相互独立，其内部结构如图2所示。每个放大器都可用图3所示的符号来表示，可以看出，每个放大器都有5个引出脚，其中“＋”为同相信号输入端，“－”为反相信号输入端，“V+”、“V-”为正负电源（负电源端一般接地）供电端，V0为输出端。“Vi+”为同相输入信号，表示运放输出端的信号与该输入端的相位相同；“Vi－”为反相输入信号，表示运放输出端的信号与该输入端的相位相反。在实际的电路图中，为了方便，一般只在一个放大器中标出IC的供电端和接地端，而其他放大器只标出“＋”、“－”和输出端。在电动车充电器中，LM324多用作电压比较器，通过对同相输入端或者反向输入端的电压进行比较，在输出端得到高电平或者低电平的变化，再通过高低电平的变化去控制指示灯的亮灭或者对开关电源进行相关的控制。输出端高低电平的变化是由两个输入端的电压比较决定的，一般规律是：若同相输入端电压高于反向输入端，则输出端为高电平；若同相输入端电压低于反向输入端，则输出端变为低电平。当然，以上是指在不设运放的反馈电阻时而4言的。LM324的具体作用要在具体的电路中才可确定，关于这一点，我们将在下面的电路分析中给于讲述。SP-2000智能三阶段充电器的工作原理：有关电路见图4。①、启动与振荡：从图中可以看出，三极管V1－V4、变压器T1、T2及外围其它元件组成半桥式功率开关变换电路，自激启动后，它激工作。充电器连接蓄电池并插上交流插头后，220V交流电压经变压器LF1和C1、C2滤除干扰，经D1-D4整流、C5滤波形成300V左右的直流电压，加在三极管V1和V2的串联回路,通过启动电阻R5和R6提供基极偏压，首先使得V1导通，T2次级绕组的正反馈使V