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一、項(xiàng)目前言

由于鋰電池的高成本，24V鉛酸電池在市場(chǎng)上的許多商業(yè)電源應(yīng)用中被用作備用電池。而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的鉛酸電池廠商大多只生產(chǎn)純鉛酸電池模塊作為其主要產(chǎn)品，內(nèi)置鉛酸電池充放電管理電路的電池模塊很少。這樣，在設(shè)計(jì)需要鉛酸電池作為備用電源的電路時(shí)，有兩種設(shè)計(jì)思路:

1.定制內(nèi)置鉛酸電池充放電管理電路的電池模塊；

2.在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，兼容鉛酸電池的充放電管理功能；

以上兩種設(shè)計(jì)思路各有利弊。出于學(xué)習(xí)的目的，本課題帖子采用第二種設(shè)計(jì)思路，我們將逐步學(xué)習(xí)基于反激式開關(guān)電源的鉛酸電池充放電管理電路的設(shè)計(jì)。

二、項(xiàng)目描述

本設(shè)計(jì)主要分為兩部分:

1.基于TOP247Y的反激式開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)：

該部分主要選用PI公司的TOP247Y芯片作為主控芯片，采用單端反激式開關(guān)電源的主流設(shè)計(jì)思想。該電路具有輸入過(guò)壓保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)、輸入過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)、輸入過(guò)流保護(hù)和輸入短路保護(hù)等功能。在全電壓輸入范圍內(nèi)，功率效率可達(dá)85%以上，當(dāng)前方案可實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用要求如下:

AC195~265V全電壓輸入范圍；

輸出32V，60W；

工作溫度范圍:-45~+85度；

負(fù)荷調(diào)整率:0.2%；

隔離等級(jí):AC2500V分鐘；；

輸出紋波大小:

2.基于UC2909的鉛酸蓄電池充放電管理電路設(shè)計(jì)：

這部分主要選用TI公司的UC2909芯片作為主控芯片。UC2909自帶鉛酸電池的充電管理功能，用戶可以通過(guò)調(diào)整芯片外圍組件的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種充電管理功能。目前的方案可以實(shí)現(xiàn)24V鉛酸電池的以下管理參數(shù)(暫時(shí)不考慮熱敏電阻的溫度補(bǔ)償效應(yīng)):

使能充電電壓:21V

過(guò)沖電壓:29.2伏

浮動(dòng)充電電壓:27.3伏

涓流充電電流:45MA

恒流充電:0.6A

過(guò)沖終止電流:100毫安

三、鉛酸蓄電池充電管理的基本知識(shí)

本部分?jǐn)M分為以下幾個(gè)方面:逐步了解和熟悉鉛酸蓄電池充電管理的基本知識(shí):

3.1、鉛酸電池常用術(shù)語(yǔ)

3.2、鉛酸電池充電狀態(tài)管理

3.3.鉛酸蓄電池充電曲線電壓和電流的選擇原則

每個(gè)部分的詳細(xì)解釋將在下面逐步進(jìn)行。希望能和大家探討一下！

3.1、鉛酸電池常用術(shù)語(yǔ)

為了更有效地解釋以下知識(shí)章節(jié)，我們首先需要了解電池應(yīng)用中的一些常見術(shù)語(yǔ):

在一定放電率的條件下，當(dāng)一個(gè)充滿電的鉛酸電池放電到規(guī)定的終止電壓時(shí)，能給出的電量稱為電池容量，用符號(hào)c表示，常用單位是安培小時(shí)AH。

放電率一般用C-Rate表示，根據(jù)鉛酸電池的放電電流可分為時(shí)間率和電流率。

時(shí)間率是指在一定的放電電流下，放電到規(guī)定的終止電壓時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度。常用的時(shí)間速率是20小時(shí)、10小時(shí)、5小時(shí)、3小時(shí)、1小時(shí)和0.5小時(shí)..

電流率是指滿足一定工作時(shí)間條件下的放電電流。例如，電池容量為10AH c的鉛酸電池可以提供10小時(shí)的1A工作電流，這種情況下的電流率為C/10。

2.UC2909計(jì)算公式(逆向推導(dǎo))

3.UC2909設(shè)計(jì)工具(根據(jù)官方設(shè)計(jì)指南編輯)

1、UC2909計(jì)算公式(正向推導(dǎo))

2.UC2909計(jì)算公式(逆向推導(dǎo))

3.UC2909設(shè)計(jì)工具(根據(jù)官方設(shè)計(jì)指南編輯)

6.5和24V鉛酸蓄電池放電管理電路分析

這里主要分析24V鉛酸電池放電電路中的欠壓管理。原因是防止電池深度放電，嚴(yán)重影響電池使用壽命，后面會(huì)一步步詳細(xì)分析。本電路主要采用CN301電池電壓檢測(cè)芯片，主要基于以下優(yōu)點(diǎn):

6.5.1.首先，確定CN301工作電源的選擇。

CN301的工作電流只有1.8微安，所以可以用兩個(gè)電阻作為CN301的電源。如圖所示:

這里R46和R47的選擇原則如下:

(1)在電池正常工作電壓范圍內(nèi)，兩個(gè)電阻的分壓輸出應(yīng)在1.9V ~ 6V之間；

(2)在電池正常工作電壓范圍內(nèi)，電阻R46的電流應(yīng)大于4微安，但不宜過(guò)大，否則電阻R46和R47的消耗電流過(guò)大，會(huì)影響電池的使用壽命。

綜上所述，假設(shè)我們電池的工作電壓范圍為20V~29.2V，并驗(yàn)證了R46=100K，R47=24.9K可以滿足上述要求

6.5.2.設(shè)置CN301檢測(cè)電壓的相關(guān)參數(shù)。

如圖所示:

七、印刷電路板布局及注意事項(xiàng)

這部分內(nèi)容打算以分散的形式來(lái)寫，涉及的內(nèi)容主要是與EMC相關(guān)的PCB LAYOUT和布線中的一些注意事項(xiàng)。部分內(nèi)容是從主控芯片規(guī)格中注意事項(xiàng)的提取和排列中抄襲來(lái)的，加上一些個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。如有不妥，請(qǐng)拍磚。

7.1 220伏交流輸入電源接口濾波電路印刷電路板布局注意事項(xiàng)

7.1.1.首先，接口濾波電路必須靠近接口。接口濾波電路可以防止內(nèi)部電路的噪聲傳導(dǎo)出去，防止外部干擾進(jìn)入。如果遠(yuǎn)離接口，

外部:濾波后的電路可以與內(nèi)部電路的鈴狀物耦合，

內(nèi)部:從外部進(jìn)入的噪音在被過(guò)濾之前有干擾。

如果遠(yuǎn)離界面，會(huì)有如圖所示的效果:

7.1 220伏交流輸入電源接口濾波電路印刷電路板布局注意事項(xiàng)

7.1.2.其次，接口濾波器應(yīng)盡可能對(duì)稱布置。防止濾波后的電路和未濾波的電路相互耦合，從而使濾波無(wú)效，造成如下效果:

7.1.3共模扼流圈下不建議使用銅包層。共模扼流圈可以有效濾除共模噪聲，但對(duì)差模信號(hào)沒(méi)有影響。如果共模扼流圈下面有銅鍍層，噪聲就會(huì)通過(guò)地線的分布電容耦合到輸出端，共模扼流圈就失去作用。多層板中，建議挖共模扼流圈空以下的平面。

7.1.4.電源濾波器電路之間的距離不應(yīng)太遠(yuǎn)。由X電容、共模扼流圈和Y電容組成的功率濾波電路是一個(gè)整體，可以有效濾除電力線上的差模和共模噪聲。布局上最好不要分開太多，否則過(guò)濾效果會(huì)大打折扣。

7.2.TOP247Y反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)中電路板布局的注意事項(xiàng)

7 . 2 . 1 top 247y反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)部分的基本設(shè)計(jì)原則。本部分PCB LAYOUT的設(shè)計(jì)原則基本可以參考官方規(guī)范中推薦的方法:

詳細(xì)的注意事項(xiàng)在說(shuō)明書里也有給出，大家照著做就好了。

八、電路優(yōu)勢(shì)

1.交流85 ~ 265伏寬電壓輸入范圍，基本能滿足所有商用電源場(chǎng)合；

2.具有鉛酸電池的充放電管理功能，可有效保護(hù)鉛酸電池的使用壽命；

3.市電和鉛酸電池?zé)o縫切換；

4.用戶可以輕松改變電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的功率輸出和不同的充電曲線管理功能，更加靈活；

5.反激式開關(guān)電源的功率效率可達(dá)85%及以上；

6.電路具有良好的電磁兼容性能:浪涌保護(hù)能力:共模4KV，差模2KV；靜電等級(jí):空氣體放電15KV，接觸放電8KV；

7.隔離電壓等級(jí)可達(dá)AC2500V，滿足大多數(shù)工業(yè)和軍事應(yīng)用

8.簡(jiǎn)單改變UC3909充電管理的電壓電流曲線，可以有效實(shí)現(xiàn)鉛酸電池和鋰電池充放電的兼容性設(shè)計(jì)；

九.設(shè)計(jì)參考資料

設(shè)計(jì)過(guò)程中參考了許多官方設(shè)計(jì)指南。這只是總結(jié)和歸納。當(dāng)然也補(bǔ)充了很多自己的想法，附后供參考:

UC3909設(shè)計(jì)指南I _2.pdf

UC3909設(shè)計(jì)指南ii _2.pdf

UC2909DW_2.pdf

電磁兼容性工程師-2012年第2期?？梢浦参臋n格式文件的擴(kuò)展名（portable document format的縮寫）

BatParaDes

UC2909計(jì)算公式(逆向推導(dǎo))。文件格式

UC2909計(jì)算公式(正向推導(dǎo))。文件格式

UC2909設(shè)計(jì)工具(根據(jù)官方設(shè)計(jì)指南編輯)。文件格式

原理圖:

基于(TOP247Y+UC2909)的具有鉛酸電池充放電管理功能的反激式開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)?？梢浦参臋n格式文件的擴(kuò)展名（portable document format的縮寫）

基于(TOP247Y+UC2909)的具有鉛酸電池充放電管理功能的反激式開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)。壓縮包

PCB:基于具有鉛酸電池充放電管理功能的(TOP247Y+UC2909)反激式開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)PCB

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X.設(shè)計(jì)源文件

10.1.原理圖

10.2、印刷電路板布局

XI。設(shè)計(jì)問(wèn)題總結(jié)

11.1.電池充電管理脈寬調(diào)制輸出電路中功率金屬氧化物半導(dǎo)體管VGS保護(hù)電路設(shè)計(jì)：

關(guān)于UC2909外圍電路中的PWM輸出MOS管電路，官網(wǎng)只給出了邏輯框圖，沒(méi)有給出具體的推薦參數(shù)模型，如下:

在這里進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，您需要注意:

由于大部分MOS管的VGS極限電壓在20~30V左右，所以在使用MOS管時(shí)需要保證VGS電壓不能超過(guò)20V。因?yàn)榉醇な介_關(guān)電源的32V輸出是用來(lái)給UC2909芯片供電和輸出的，所以這里需要對(duì)MOS管的VGS電壓進(jìn)行箝位和保護(hù)。由于這一疏忽，D10 15V TVS二極管箝位保護(hù)(圖中紅色標(biāo)記為3)以前沒(méi)有添加到電路中。結(jié)果電路在常溫調(diào)試時(shí)工作正常，但在高溫下，MOS管DS直接擊穿短路，重新檢查電路原理發(fā)現(xiàn)是設(shè)計(jì)問(wèn)題。

11.2.電池充電管理的脈寬調(diào)制輸出電路中影響脈寬調(diào)制上升沿斜率的參數(shù)設(shè)置；

詳見圖中紅色標(biāo)記1處的電阻

電阻會(huì)影響PWM輸出上升沿的斜率，進(jìn)而影響P-MOS晶體管的開關(guān)損耗，最后影響這個(gè)充電管理電路的充電效率。

同時(shí)也要注意電阻的功率問(wèn)題。有興趣的朋友可以通過(guò)改變電阻的阻值來(lái)捕捉PWM輸出波形的變化。

11.3.電路板布局中電池充電管理集成電路UC2909部分電路參考地的選擇；

詳見圖中紅色標(biāo)記的位置1和2。在PCB布局時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分UC2909外圍電路的參考地和電池部分的參考地。如果沒(méi)有區(qū)別，兩個(gè)地之間的開關(guān)信號(hào)將是串?dāng)_。

鉛酸蓄電池充電技術(shù)需要解決兩個(gè)主要問(wèn)題:

鉛酸蓄電池充電技術(shù)需要解決兩個(gè)主要問(wèn)題:

1.輸出電流(充電電流)的控制原理是什么？也就是電流是根據(jù)什么指標(biāo)和數(shù)據(jù)變化的。如果不是這樣，要么電流大了會(huì)被過(guò)充，也就是過(guò)剩的能量會(huì)發(fā)生電解水反應(yīng)，析出氫氣和氧氣，導(dǎo)致失水，加速電池硫化；要么電流太小，充電時(shí)間延長(zhǎng)。所以這個(gè)基礎(chǔ)很關(guān)鍵，是電解質(zhì)離子密度變化的基礎(chǔ)——充電電流。很難獲得這些實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)。但是有辦法。

2.鉛酸蓄電池充電反應(yīng)的特點(diǎn)是電解液分層，即硫酸溶液密度不均勻，即可擴(kuò)散離子密度頂部致密，底部稀薄。所以恒流階段電池上部正常，下部過(guò)充脫水。所以也可以說(shuō)明電池底部硫化嚴(yán)重(底部硫酸鉛晶體堆積嚴(yán)重)。電解液分層怎么去除？有解決辦法。歐洲人可以通過(guò)空氣泵攪拌電解液來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)方法很有效，但是很笨拙。

業(yè)界流行的三段法多收。