图4-9多档恒流充电机线路工作原理：由电容C1～C4和开关S1～S4等组成电流选择电路，以选择合适的充电电流。该线路具有电流自动调整装置，能保证恒流充电；具有反向保护装置，蓄电池极性接反时不会被烧坏；具有蓄电池充足后能自动切断电源停止充电。图4-10晶闸管自动恒流充电机线路工作原理：单相交流电源经变压器T降压、二极管VD1、VD2全波整流，整流输出电压经晶闸管V调压送到蓄电池组。......
2023-06-20
STM32单片机充电恒流控制系统设计
【摘要】：装置进入充电恒流模式时，通过矩阵键盘进行充电电流设置，单片机通过DA设置恒流模块，通过ADC1和ADC2采集并显示相应电流电压值，并判断电压以确定是否启动过充保护。系统采用了具有高处理速度，低功耗的STM32单片机。图A-2-1系统总体框图考虑重量、效率要求，主要功率电路采用单片集成方案。综合考虑采用方案2。
基本信息
一、设计方案工作原理
本设计是由升压模块、降压恒流模块、数字模块等组成的高效率双向DC-DC电路。系统框图如图A-2-1所示。装置进入充电恒流模式时，通过矩阵键盘进行充电电流设置，单片机通过DA设置恒流模块，通过ADC1和ADC2采集并显示相应电流电压值，并判断电压以确定是否启动过充保护。装置工作在放电恒压模式时，单片机控制升压模块，升压模块自身恒压反馈稳定输出电压。装置还可以自动切换充放电模式，保持负载端U2恒压。系统采用了具有高处理速度，低功耗的STM32单片机。
图A-2-1 系统总体框图
考虑重量、效率要求，主要功率电路采用单片集成方案。其中，充电时采用高效Buck芯片TPS54340，在官方电路基础上加入电流环反馈，配合单片机DA输出实现可调恒流充电。放电时采用TPS55340构成Boost升压电路，输出电压稳定。系统的数字处理模块采用了具有高处理速度，低功耗的STM32单片机，实现高精度恒流充电和恒压放电控制。系统元件少、性价比高、体积小、重量轻，较好地完成了基础部分和发挥部分的要求，还增加了满充提示、防止反流、恒流恒压两段充电等创新功能。此外，本设计采用高精度热转印制作PCB板，基本全贴片工艺，有利于高频开关电路的稳定运行。
1.升压模块的论证与选择
方案1：采用LM2587芯片，可以实现宽输出电压，但输出电流过小，开关频率低，效率低，不宜采用。
方案2：采用XL6009芯片，体积小，功耗低，辅以用继电器切换控制模式，效率较高，但芯片可靠性不够高，继电器动作延时较大。
方案3：采用TI的升压转换芯片TPS55340。TPS55340是非同步开关稳压器，使用电流模式PWM控制来调节输出电压，内置振荡器，输入电压范围宽，具有软启动功能，效率高。
综合以上三种方案，选择方案3。
2.恒流模块的论证与选择
方案1：采用TL494脉冲宽度调制芯片。通过DAC输入TL494控制产生PWM信号的占空比，控制MOS驱动电路，调节电流。MOS主电路进行DC-DC升压，实现稳压输出。但分立元件较多，驱动系统功耗较大，电路可靠性一般。
方案2：自制纯软件控制Buck恒流电路，该方案结构简单、可靠性高，但单片机能实现的PWM频率较低，需要较大的电容、电感，损耗较大且器件较为笨重。
方案3：采用TI的降压转换芯片TPS54340，辅以INA282电流检测芯片，切断电压环，将INA282放大的信号与DAC电压经比较器比较后送入芯片反馈端，形成电流环。硬件闭环控制，实现恒流降压输出。内置软启动电路，且系统效率较高。
综合以上三种方案，选择方案3。
3.数字模块的论证与选择
方案1：MSP430单片机控制，功耗低，但现有系统板集成外设较多，重量较大。
方案2：STM32F103单片机控制，内置四通道12位ADC，两通道12位DAC，采用自制系统板，只集成需要的外设，重量较小。
综合考虑采用方案2。
二、核心部件电路设计
1.升压模块的分析设计
升压部分电路原理图见图A-2-2。
(1)输出部分参数
升压部分按照TPS55340推荐，在fSW=500 kHz条件下起振。
2.恒流模块的分析设计
恒流部分电路原理图见图Α-2-3。
(1)输出部分参数
图A-2-2 升压部分电路原理图
Uout=30 V，若取R2约为10 kΩ，R1为220 kΩ，实际R2用10 kΩ电位器调节。
(2)补偿部分参数
(3)功率部分参数
2.恒流模块的分析设计
恒流部分电路原理图见图Α-2-3。
(1)输出部分参数
图A-2-3 恒流部分电路原理图
图A-2-3 恒流部分电路原理图
(2)补偿部分参数
(2)补偿部分参数
(3)功率部分参数
(3)功率部分参数
三、系统软件设计分析
1.程序功能描述
根据题目要求，软件部分能实现三种工作模式的选择，并使能Buck或Boost电路。键盘设置充电电流值，可步进10 mA或100 mA，并显示充电电流设定值、监测值，电源电压值，负载电压值，还有过充保护，满充提示，电池余量判断等功能。
2.程序流程图
程序流程图如图A-2-4所示。
三、系统软件设计分析
1.程序功能描述
根据题目要求，软件部分能实现三种工作模式的选择，并使能Buck或Boost电路。键盘设置充电电流值，可步进10 mA或100 mA，并显示充电电流设定值、监测值，电源电压值，负载电压值，还有过充保护，满充提示，电池余量判断等功能。
2.程序流程图
程序流程图如图A-2-4所示。
图A-2-4 程序流程图
四、竞赛工作环境条件
1.测试方案
(1)硬件测试
采用模块化测试方法，由小到大，逐步测试。调试时首先对辅助电源测试，保证辅助电源部分输出电压在设计要求的范围内；再对主体升压、恒流模块进行单独测试，确定其升压输出和恒流输出正常。
(2)软件测试
将软件写入单片机后，搭建简易测试电路，给AD输入假定值进行测试，判断DA输出和显示是否符合要求。
(3)软硬件联调
软硬件都测试完成后，各模块连接单片机进行级联测试，在确定单片机能够控制模块运行后，最后接入电池组和负载进行整体性能测试和指标优化。
2.测试条件与仪器
可调稳压电源DF1731SC2A，数字示波器Tektronix/TDS2012，数字万用表LINI-T UT805。
五、作品成效总结分析
1.基础部分
(1)U2=30 V，充电电流I1在1～2 A范围内，测试I1电流控制精度：平均为0.11%。
表A-2-1 充电电流控制精度表
图A-2-4 程序流程图
四、竞赛工作环境条件
1.测试方案
(1)硬件测试
采用模块化测试方法，由小到大，逐步测试。调试时首先对辅助电源测试，保证辅助电源部分输出电压在设计要求的范围内；再对主体升压、恒流模块进行单独测试，确定其升压输出和恒流输出正常。
(2)软件测试
将软件写入单片机后，搭建简易测试电路，给AD输入假定值进行测试，判断DA输出和显示是否符合要求。
(3)软硬件联调
软硬件都测试完成后，各模块连接单片机进行级联测试，在确定单片机能够控制模块运行后，最后接入电池组和负载进行整体性能测试和指标优化。
2.测试条件与仪器
可调稳压电源DF1731SC2A，数字示波器Tektronix/TDS2012，数字万用表LINI-T UT805。
五、作品成效总结分析
1.基础部分
(1)U2=30 V，充电电流I1在1～2 A范围内，测试I1电流控制精度：平均为0.11%。
表A-2-1 充电电流控制精度表
(2)I1=2 A，U2在24～36 V范围内变化时，测试I1的电流变化率：
U2=36 V时，充电电流值I11为2.001 3 A。
U2=30 V时，充电电流值I1为2.001 1 A。
U2=24 V时，充电电流值I12为2.000 2 A。
SI1为0.05%。
(3)I1=2 A，U2=30 V时，测试变换器效率：η1=95.4%。
(4)测量并显示充电电流I1，I1在1～2 A范围内的测量精度如表A-2-2所示。
表A-2-2 充电电流测量精度表
(2)I1=2 A，U2在24～36 V范围内变化时，测试I1的电流变化率：
U2=36 V时，充电电流值I11为2.001 3 A。
U2=30 V时，充电电流值I1为2.001 1 A。
U2=24 V时，充电电流值I12为2.000 2 A。
SI1为0.05%。
(3)I1=2 A，U2=30 V时，测试变换器效率：η1=95.4%。
(4)测量并显示充电电流I1，I1在1～2 A范围内的测量精度如表A-2-2所示。
表A-2-2 充电电流测量精度表
(5)过充保护功能，设定I1=2 A，当U1超过阈值U1th=(24±0.5)V时，停止充电。测量U1th=24.09 V。
2.发挥部分
(1)放电模式下，保持U2=(30±0.5)V，测试此时的效率η2≥95.03%。
(2)调整直流稳压电源输出电压，使US在32～38 V范围内变化时，双向DC-DC电路能够自动转换工作模式并保持U2=(30±0.5)V。
表A-2-3 自动转换模式下U2输出表
(5)过充保护功能，设定I1=2 A，当U1超过阈值U1th=(24±0.5)V时，停止充电。测量U1th=24.09 V。
2.发挥部分
(1)放电模式下，保持U2=(30±0.5)V，测试此时的效率η2≥95.03%。
(2)调整直流稳压电源输出电压，使US在32～38 V范围内变化时，双向DC-DC电路能够自动转换工作模式并保持U2=(30±0.5)V。
表A-2-3 自动转换模式下U2输出表
(3)双向DC-DC变换器，测控电路与辅助电源三部分的总重量为255 g。
3.创新部分
(1)电池电压达到标准电压21 V后，屏幕显示“charge ok”并自动降低充电电流到0.1 A，此时需按键才能继续满速充电，满充提示功能正常。
(2)关闭主电源后，系统除了防反流板外其他部分无电，电池未向前级负载倒灌，实现了电池防反流。
(3)重新开启系统电源，选择CC-CV两段充电模式，设定充电电流，随着电池电压接近21 V，系统自动减小充电电流并保持电池电压在21 V附近，电流减小到0.1 A时，充电停止，屏幕显示“full charge”。
4.测试分析与结论
根据上述测试数据，可以得出以下结论：
(1)恒流部分有较高的效率且充电电流精确而稳定。
(2)升压部分有较高的效率且放电电压稳定。
(3)体积小重量轻，能自动切换工作模式，具有过充保护功能，达到了设计要求，且增加了满充提示、电池防反流、恒流恒压两段充电模式等创新功能。
六、参考资料
［1］康华光.电子技术基础(模拟部分)［M］.5版.北京.高等教育出版社，2006
［2］康华光.电子技术基础(数字部分)［M］.5版.北京.高等教育出版社，2006
［3］高吉祥.数字系统与自动控制系统设计［M］.北京：电子工业出版社，2007
［4］李志明.STM32嵌入式系统开发实战指南［M］.北京：机械工业出版社，2013
(本作品的图纸资料、程序清单及作品照片请见网站。)
(3)双向DC-DC变换器，测控电路与辅助电源三部分的总重量为255 g。
3.创新部分
(1)电池电压达到标准电压21 V后，屏幕显示“charge ok”并自动降低充电电流到0.1 A，此时需按键才能继续满速充电，满充提示功能正常。
(2)关闭主电源后，系统除了防反流板外其他部分无电，电池未向前级负载倒灌，实现了电池防反流。
(3)重新开启系统电源，选择CC-CV两段充电模式，设定充电电流，随着电池电压接近21 V，系统自动减小充电电流并保持电池电压在21 V附近，电流减小到0.1 A时，充电停止，屏幕显示“full charge”。
4.测试分析与结论
根据上述测试数据，可以得出以下结论：
(1)恒流部分有较高的效率且充电电流精确而稳定。
(2)升压部分有较高的效率且放电电压稳定。
(3)体积小重量轻，能自动切换工作模式，具有过充保护功能，达到了设计要求，且增加了满充提示、电池防反流、恒流恒压两段充电模式等创新功能。
六、参考资料
［1］康华光.电子技术基础(模拟部分)［M］.5版.北京.高等教育出版社，2006
［2］康华光.电子技术基础(数字部分)［M］.5版.北京.高等教育出版社，2006
［3］高吉祥.数字系统与自动控制系统设计［M］.北京：电子工业出版社，2007
［4］李志明.STM32嵌入式系统开发实战指南［M］.北京：机械工业出版社，2013
(本作品的图纸资料、程序清单及作品照片请见网站。)
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