為了使手機(jī)、電動(dòng)自行車等所使用的充電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電的功能，大都采用各種各樣的專用IC充電器集成電路和各種采樣電路。本文介紹一種既能省去復(fù)雜的IC電路及其外圍電路，又能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)充電功能的電路。

1、工作原理

圖1中C1、V1～V4、C2組成濾波整流電路，變壓器T為高頻變壓器，V5、R2、C11組成功率開關(guān)管V7的保護(hù)電路，NF為供給IC電源的繞組。單端輸出IC為UC3842，其8腳輸出5V基準(zhǔn)電壓，2腳為反相輸入，1腳為放大器輸出，4腳為振蕩電容C9、電阻R7輸入端，5腳為接地端，3腳為過流保護(hù)端，6腳為調(diào)寬單脈沖輸出端，7腳為電源輸入端。R6、C7組成負(fù)反饋，IC啟動(dòng)瞬間由R1供給啟動(dòng)電壓，電路啟動(dòng)后由NF產(chǎn)生電勢經(jīng)V6、C4、C5整流濾波后供給IC工作電壓。R12為過流保護(hù)取樣電阻，V8、C3組成反激整流濾波輸出電路。R13為內(nèi)負(fù)載，V9～V12及R14～R19組成發(fā)光管顯示電路。圖1中V5、V6選用FR107，V8選用FR154，V7選用K792。

圖1 電 路 原 理 圖

現(xiàn)對(duì)變換環(huán)節(jié)作如下介紹：

從圖1中可知，當(dāng)V7導(dǎo)通時(shí)，整流電壓加在變壓器T初級(jí)繞組Np上的電能變成磁能儲(chǔ)存在變壓器中，在V7導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，Np繞組中電流達(dá)到最大值Ipmax：

Ipmax=(E/Lp）ton （1）

式中：E——整流電壓；
Lp——變壓器初級(jí)繞組電感；
ton——V7導(dǎo)通時(shí)間。

在V7關(guān)閉瞬間，變壓器次級(jí)繞組放電電流為最大值Ismax，若忽略各種損耗應(yīng)為：Ismax=nIpmax=n(E/Lp)ton (2)

式中：n——變壓器變比，n=Np/Ns，Np、Ns為變壓器初、次級(jí)繞組匝數(shù)。

高頻變壓器在V7導(dǎo)通期間初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量與V7關(guān)閉期間次級(jí)繞組釋放能量應(yīng)相等：n(E/Lp)ton=(Uo/Ls)toff

式中：Ls——變壓器次級(jí)繞組電感；
Uo——輸出電壓；
toff——V7關(guān)閉時(shí)間。

因?yàn)長p=n2Ls，則：
(E/nLs)ton=(Uo/Ls)toff
Eton=nUotoff
Uo=(ton/ntoff)E (3)

上式說明輸出電壓Uo與ton成正比，與匝比n及toff成反比。

變壓器在導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的能量WLp為： WLp=(1/2)LpI2pmax （4）

變壓器Lp愈大儲(chǔ)能愈多。

變壓器儲(chǔ)存的能量能否在toff期間釋放完，不僅與變壓器的工作頻率f有關(guān)，而且與次級(jí)繞組電感量Ls有關(guān)，更與負(fù)載的大小有關(guān)。

儲(chǔ)能釋放時(shí)間常數(shù)τ和V7關(guān)閉時(shí)間toff之間的差異形成變換器三種工作狀態(tài)，下面分開介紹：

1）toff=τ這種狀態(tài)為臨界狀態(tài)，各參數(shù)波形如圖2所示。

圖2 toff=τ的 波 形 圖

圖2中ub為Vp的控制電壓波形；up為變壓器初級(jí)Np電勢波形；φ為變壓器磁通變化波形；uces為V7集電極電壓波形；ip、is為初、次級(jí)電流波形。

2）toff>τ各參數(shù)波形如圖3所示。從圖3中可以看出磁通?復(fù)位時(shí)V7關(guān)閉還持續(xù)一段時(shí)間，ip呈線性上升，is線性下降。

圖3 toff >τ的 波 形 圖

變壓器儲(chǔ)存的能量等于電路輸出能量。

（1/2)LpI2pmaxf=Uo2/RL
Uo2=(1/2)LpI2pmaxRLf

將Ipmax=(E/Lp)ton代入上式，則

式中：RL——電路負(fù)載電阻；
T=1/f——變壓器工作周期。

式（5）中E、ton、T、Lp為定值，所以輸出電壓Uo隨負(fù)載電阻RL的大小而變化，若忽略整流器件壓降，則輸出電壓最大值應(yīng)為：
Uomax=(1/n)Up=(1/n)E （6）

V7承受的反壓應(yīng)為：
Ucc=E＋Up=E＋nUo （7）

3）toff<τ

各參數(shù)波形如圖4所示。從圖4中可以看出磁通?在toff期間不能復(fù)位，ip也不是從0開始線性增加，is下降不到0，這種工作狀態(tài)輸出電壓Uo應(yīng)滿足如下關(guān)系：

Eton=(Np/Ns)Uot
Uo=(ton/toff)(Ns/Np)E

圖4 toff <τ 的 波 形 圖

上式說明在Lp較大的情況下，Uo只決定于變壓器匝數(shù)、導(dǎo)通截止脈寬和電源電壓E，而與負(fù)載電阻RL無關(guān)。

上述三種工作狀態(tài)中，第二種工作狀態(tài)輸出電壓Uo隨負(fù)載電阻大小而變化，我們正好利用這個(gè)特點(diǎn)，滿足充電器的充電特性。

從電路中可知，電路的負(fù)載電阻RL實(shí)際上是被充電電池的等效內(nèi)阻，當(dāng)電池電量放空時(shí)，等效內(nèi)阻RL很小，隨著充電量增大，其等效內(nèi)阻升高，而電路輸出電壓Uo就是充電電壓，其變化是隨RL增大而升高，所以有如圖5所示的充電特性曲線。從圖5可以看出充電電流是隨著RL增大而下降。io=uo/RL

充電電壓uo、充電電流io都是隨RL而變化，RL的變化曲線是電池的充電特性決定的，所以用單端反激電路作成的充電器其充電電壓、電流有很好的跟隨性。

當(dāng)電池充滿后，RL也就大到一定限度，充電電壓也就進(jìn)入飽和狀態(tài)，充電電流自動(dòng)進(jìn)入浮充狀態(tài)。

這樣便大大簡化了自動(dòng)充電的控制電路。與相同性能的其它充電器電路相比，成本大大降低，可靠性大大提高。

2 、電路設(shè)計(jì)計(jì)算

為了簡便，現(xiàn)只介紹單端反激變換電路中變壓器的設(shè)計(jì)及主要元器件的選用方法。

2.1 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

變壓器是變換器的主要部件，其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是磁芯選定，繞組匝數(shù)和導(dǎo)線直徑的選定。

1）變壓器主要參數(shù)計(jì)算公式

變壓器工作頻率f的確定：

f高雖然體積、重量可減小，但V7開關(guān)損耗增大，f低則變壓器體積變大重量加大，綜合考慮，一般選f=50kHz左右。

2）磁芯尺寸選取

因電路為單端反激電路，所以勵(lì)磁電流是單方向的，變壓器磁芯中產(chǎn)生的磁通只沿著磁滯回線在第一象限上下移動(dòng)，如圖6所示。

[a] 勵(lì)磁電流 (b) 磁滯回線

圖6 勵(lì)磁電流及磁滯回線

按圖6中的磁路工作狀態(tài)，對(duì)磁芯尺寸計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

據(jù)電磁感應(yīng)定律 e=－Np(dφ/dt) e=E－Uces

若忽略V7飽和壓降Uces，則 Npdφ=Edt

NpΔφ=Eton
Δφ=ΔBSC
Np=(E×104ton×10－6/Δ BSC)=Eton/100ΔBSC （8）
E=100NpΔBSC/ton (9)

式中：104——磁通密度單位換算系數(shù)；
10－6——導(dǎo)通時(shí)間單位換算系數(shù)；
SC——磁芯截面積，單位cm2；
Δ B——一般取0.7Bs（飽和磁密），單位T；
ton——單位μs。

所選磁芯窗口面積So應(yīng)能繞下初、次級(jí)繞組，所以有如下公式關(guān)系：


為了便于公式推導(dǎo)，設(shè)Ip=Is=I，Np=Ns則：

式中：Ko——銅線占空系數(shù)，一般取 Ko=0.2～0.5；
KC——磁芯占空系數(shù)，鐵氧體取KC=1；
j——導(dǎo)線中電流密度，一般取j=2～3A/mm2；
10－2——導(dǎo)線截面積尺寸單位換算系數(shù)。

變壓器設(shè)計(jì)容量 PT=EI (11)

將式（9）、式（10）代入式（11）

PT=(100NpΔBSC/ton)(100KoKCSoj/2Np)
　=ΔBSCSoKoKCj×104/2ton

SoSC=2PTton×10－4/ΔBKoKCj(cm4)

變壓器初、次級(jí)功率關(guān)系為：

Ps=ηPT Po=Ps－PD

式中：Ps——變壓器次級(jí)輸出功率；
PD——輸出端二極管等損耗功率。

若忽略PD，則：

Po=ηPT

SoSC=2Poton/ηΔBjKoKC(cm4) (12)

據(jù)式（12）計(jì)算So、SC，選取磁芯尺寸、規(guī)格。

3）繞組匝數(shù)的計(jì)算

Np=100Eton/ΔBSC (13)

為了滿足電路要求，式中E、ton應(yīng)取最大值，單端反激電路變壓器原邊繞組兼有電感作用。其電感所需量由下式計(jì)算：

Lp=Eton/Ip(μ H) （14）

式中：ton單位用μs

用下式核算Np繞組匝數(shù)能否滿足電感量要求：

L′p=(0.4πN2pSC×10－8)/(Lδ＋LC/μC) （μH） （15）

式中：μC——磁芯材料有效導(dǎo)磁率；
LC——磁芯磁路平均長度（cm）；
Lδ——磁芯中空氣隙長度（cm）。

若Lp≤L′p，則加大Np，以達(dá)到電感量要求。

變壓器匝比的選取：

若不考慮次級(jí)整流壓降及變壓器內(nèi)損等因素的影響，則
n=Ep/Eo、Ns=nNp/D

同理可計(jì)算
NF=(Ns/Uo)Up

4）導(dǎo)線直徑選取計(jì)算

若取j=2.5A/mm2則：d=0.7 (mm) (16)

據(jù)式（16）計(jì)算出各繞組導(dǎo)線直徑并選取規(guī)格值，驗(yàn)算磁芯窗口面積能否繞下各繞組，若繞不下，則重復(fù)上述有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。

5）驗(yàn)算次級(jí)繞組放電常數(shù)，τs應(yīng)小于toff

τs=Ls/RL=(L′p/n2)/RL=L′p/（n2RL）

toff=T/2，T=1/f，所以toff=1/（2f）

toff>τs為驗(yàn)算原則。若不能滿足則重復(fù)上面有關(guān)計(jì)算。

2.2 各主要元器件的選用

1）功率開關(guān)管的選用

根據(jù)式（7），開關(guān)管耐壓應(yīng)≥E＋nUo，一般取(2.5～4)Emax。

開關(guān)功率管的電流由下式計(jì)算確定：Ipmax=2U2o/ηDER1min

2）電容C2、C3的選定

C2電壓應(yīng)大于1.1××220V；
C3電壓根據(jù)輸出電壓而定。

C2、C3電容量的選用原則是：

C2Rp=(4～5)T50；
C3RL=(4～5)T。

式中：T50——頻率為50Hz時(shí)對(duì)應(yīng)的工作周期；
Rp、C2——放電等效電阻、電容；
T——變壓器工作頻率對(duì)應(yīng)的周期。

由此可以推算電容量。

3 、電路調(diào)試

1）變換器工作頻率調(diào)整

調(diào)IC4腳的R7和C9可達(dá)到調(diào)整工作頻率的目的。

2）功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton的調(diào)整

調(diào)R3和R5可達(dá)到調(diào)整ton的目的。

3）過流保護(hù)工作點(diǎn)的調(diào)整

調(diào)R12可達(dá)到調(diào)整過流保護(hù)工作點(diǎn)的目的。

4、 結(jié)語

用單端反激變換電路制作全自動(dòng)充電器是筆者對(duì)單端反激變換電路探討實(shí)踐的總結(jié)。用此電路已經(jīng)設(shè)計(jì)制作了100W以內(nèi)的全自動(dòng)充電器30多臺(tái)，使用效果良好，并通過廠家技術(shù)鑒定。應(yīng)用本文所介紹的技術(shù)可省去復(fù)雜的控制電路和IC，不僅降低了成本，而且大大提高了可靠性，綜合效益顯著。

作者簡介

姚化民（1944－），男，工程師。曾先后在8901廠、132廠、115廠、618研究所就職，從事開關(guān)電源研制工作30余年，現(xiàn)受聘于西安宏慶電器設(shè)備公司，從事開關(guān)電源技術(shù)開發(fā)應(yīng)用工作。