基于半桥电路的48V3A电动自行车充电器设计 - 图文

基于半桥电路的48V/3A电动自行车充电器设计

摘要

在如今这个提倡绿色可持续发展的社会，因为电动自行车的广泛应用，其充电器的市场也越来越大，性价比高的电动车充电器在这个大舞台上，是很有竞争力的。所以我们根据半桥电路的特点设计了一个48V/3A的电动自行车充电器。这个充电器是根据电流模式的开关电源原理而设计的，其主电路采用了半桥电路，控制电路以SG3525芯片为核心，驱动电路使用IR2104为核心，结合稳压器等芯片，实现了对蓄电池的充电和控制，以达到在充电时对蓄电池进行保护的目的。本设计中介绍了使用到的相关的芯片，而且给出了完整的电路图，具体地分析了主电路的工作原理、各部分电路的工作原理和各种相关芯片的介绍，这其中包括了主电路、控制电路、驱动电路和电压、电流反馈电路的工作原理。并且还使用了MATLAB进行仿真，结果表明，该电动车充电器性能优良，能较好的保护蓄电池，稳定性非常强，而且成本比较低，非常有前景。

关键词：半桥电路，SG3525，电流模式，充电器

1

DESIGNOF 48V/3A

ELECTRICBICYCLECHARGERBASEDONHALFBRIDGECI

RCUITFOR 48V/3A

ELECTEICBICYCLECHARGERBASEDONHALFBRIDGECI

RCUIT

ABSTRACT

In this advocate green and sustainable development of the society, because of the widespread use of electric bicycle charger, the market is more and more big, high performance electric car charger in this big stage, is very competitive. So we design a 48V/3A electric bicycle charger based on half bridge circuit. This charger is designed according to the principle of the current mode switching power supply, the main circuit adopts half bridge circuit, the control circuit based on SG3525 chip as the core, drive circuit using IR2104 as the core, combined with the regulator chip, realizes the charging and control of the battery, in order to protect the battery during charging to. This design describes the use of related chips, and presents the design of integrated circuit, a detailed analysis of the working principle and circuit design, each part of the circuit chip is introduced, including the working principle of the main circuit, control circuit, drive circuit and voltage and current feedback circuit. The simulation results show that the charger has good performance and can protect the storage battery better. The stability of the MATLAB charger is very strong, and the cost is low. It is very promising.

KEYWARDS：The half bridge circuit, SG3525, current mode ,charger

2

目录

1绪论 .............................................................. 5 1.1 研究背景 ...................................................... 5 1.2 研究现状 ...................................................... 5 1.3 充电器的结构与分类 ............................................ 6 1.3.1 充电器的分类 .............................................. 6 1.3.2 充电器的结构 .............................................. 7 1.4 本文设计内容及要求 ............................................ 7 1.4.1设计内容 .................................................. 7 1.4.2设计要求 .................................................. 7 2电动车自行车蓄电池及其充电方式介绍 ................................ 9 2.1 电动车的蓄电池 ................................................ 9 2.2 电动车蓄电池充电方式 .......................................... 9 2.2.1 恒流充电 .................................................. 9 2.2.2 恒压充电 ................................................. 10 2.2.3 浮充法 ................................................... 11 2.2.4 涓流充电 ................................................. 11 2.3 分阶段充电法 ................................................. 12 3芯片和电路原理介绍 ............................................... 14 3.1芯片介绍 ..................................................... 14 3.1.1 SG3525芯片 .............................................. 14 3.1.2 IR2104芯片 ............................................... 16 3.1.3 TL341芯片 ............................................... 17 3.2电路原理介绍 ................................................. 20 3.2.1主电路电路原理 ........................................... 20 3.2.2 整流电路 ................................................. 21 3.2.3 滤波电路 ................................................. 22 3.2.4 半桥电路 ................................................. 24 3.2.5 半桥电路的驱动电路 ....................................... 25 3.2.6电压反馈电路 ............................................. 25 3.2.7 电流反馈电路 ............................................. 26 3.2.8辅助供电电路 ............................................. 27

3

4变压器的选择和元器件参数计算 ..................................... 28 4.1变压器的设计 ................................................. 28 4.2 输出滤波电感选择 ............................................. 30 4.3 SG3525确定频率的电容和电阻参数计算 .......................... 30 4.4 SG3525的软启动电阻说明 ...................................... 31 4.5 输入输出滤波电容选择 ......................................... 31 4.5.1输入滤波电容选择 ......................................... 31 4.5.2输出滤波电容选择 ......................................... 31 4.6 一次侧整流二极管的选择 ....................................... 31 4.7 开关管、续流二级管和二次侧整流二极管的选择 ................... 32 5 MATLAB仿真 ..................................................... 34 6结论 ............................................................. 37 致谢............................................................... 38

4

1绪论

1.1 研究背景

随着工业产业的发展，我们生活的环境正在一天天的变坏，而造成这样后果的原因，就是大气被严重污染。根据环保部门的统计分析，大气污染的大部分原因是来自于交通运输的尾气污染，竟然达到了42％之多。现在科学技术越来越发达，人们的生活也越来越好，有汽车的人也越来越多，而在汽车使用过程中汽车尾气对大气的污染也紧随其后，正在以恐怖的速度增长。随着污染比例的提高，使我们的生态环境遭受严重的破坏，我们的正常生活和身体健康也受到严重的影响。现在世界上各个国家都在出走可持续发展道路，也正因为如此，电动自行车行业得到了飞速的发展，电动自行车以它绿色环保、使用方便、价格较低等优点迅速得到了消费者的喜爱。然而电动自行车蓄电池的寿命直接影响着用户的使用体验，电池寿命太低是用户不愿意看到的，我们都希望能在做到低成本的同时延长电动车电池的使用寿命，所以就要在电池的设计与制造的工艺水平上下大工夫，不仅如此，在平时的使用之中，也要注意对电池的维护，然而这些都不是最重要的，最重要的是我们在充电的过程中，要对蓄电池采取保护措施，因此充电的方式才是问题的关键。我们都知道充放电过程蓄电池的寿命的影响最大，经过科学研究发现:充电时蓄电池过充电，会导致蓄电池大量的发热，使电解液失水；而如果充电不足的话，又会使蓄电池内发生的化学反应不够充分，导致电池长期处于不饱和状态，长期处于不饱和状态将会导致蓄电池容量不断下降。所以，设计一款在充电时能采取适当的充电方式，对蓄电池有保护功能的充电器是很有必要的。也正是人们意识到了这一点，近年来对充电器技术的研究也受到了重视，期望能研究设计出既能快速充电，又能在充电时保护蓄电池的电动自行车充电器。 1.2研究现状

最早期的电动自行车充电器使用的是工频变压器，它的波形没有畸变，电路较为简单，故障率相比较低，成本比较低廉，因此在早期得到了较为广泛的应用。但是工频变压器体积相对较大，外观非常笨重，效率比较低，这使得充电器的体积变得较大，充电效率也不是很高，充电的时间很长，显然已经不适合这个节奏较快的社会发展需求。随着科技的发展，开关电源终于取代了工频变压器，在充电器中得到了广泛的应用。由于它具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、电压调节范围宽等优点，使得充电器的充电功能却得到了极大的改善，因此得到了各大厂家和广大消费者的青睐。虽然其优点较为突出，但是其还是存在一些不可避免的缺陷。其最明显的缺点就是存在开关干扰。当功率开关管工作在开通或者关

5

断状态时，其产生的交流电流与交流电压将对电路中的其他元器件造成干扰，如果不采取适当的措施滤除这些干扰，电路的正常工作就会严重的影响。除此之外，因为开关电源振荡器是没有工频变压器的隔离的，所以在工作时这些干扰就会进入到电网中，对其他设备造成非常严重的干扰，这是非常不好的。目前，由于我国的科技技术和其他先进的国家还有一定的差距，所以充电器的造价也迟迟不能降低，然而在制造时往往采用低成本生产，使得充电器的可靠性也不能肯定。所以在我国暂时不能得到较为广泛的应用。那些发达国家的开关电源技术虽然已经有了很不错的发展，但是在实际应用中，效果也不是很好。这就是开关电源的缺点导致的，因为电路结构过于复杂，使得电路不稳定，故障率较高，检查维修相对麻烦，在设计和制造时要充分地重视这些问题。如今，开关电源还是不能得到较广泛推广应用，都是他的这些缺点所导致的。开关电源的相关研究也在努力攻克这个难题，我相信在不久的将来，以开关电源为核心的电动车充电器是一定不会让人们失望的。 1.3 充电器的结构与分类 1.3.1 充电器的分类

为了确保在使用电动自行车有足够的动力正常行驶，我们就必须对蓄电池消耗进行不断的补充，而要补充其消耗的电能，就需要设计一款合适的充电器。也正是如此，在市场上出现了各种模式的充电器，互相竞争者市场的占有率，常见的有二段式、三段式、正负脉冲式和三段智能式等，现在用三段智能式充电器比较多。

根据电池的容量的不同，充电器的规格主要有20V、12A；36V、12A；36V、14A； 48V、17A；48V、20A和36V/48V；以及公用型充电器等。

由于电动自行车充电器的厂家很多，厂家之间的互相竞争，也推出了格式各样的充电器。较常见的电动自行车充电器举例如下图1?1所示。

图1?1电动车充电器外形

6

1.3.2 充电器的结构

电动自行车充电器电路包括充电控制电路、驱动电路、整流滤波电路、高压开关电路、电压转换电路、恒流、恒压电路和反馈电路保护电路等部分。充电器内部的主要元器件有脉冲调制集成电路、电流反馈放大器、电压反馈放大器、功率开关管、驱动三极管、整流二极管、电阻、电感、电容器和变压器等组成。在较好的电器采用的是开关电源为核心，在电路中加入智能控制数字电路模块，在输出技术上，采用了智能检测电路和控制技术来调节电动车充电器的输出，大大的提高了充电器的性能。电动车充电器在充电时还采用自动监控检测技术，它能实时的监控蓄电池的充电情况，并且自动进行分析调整，选择最合适的充电模式给电池充电，以达到充电过程中对电池的保护要求。也正因为这样，充电器的电路组成从传统的分立式元件向集成化、数字化和智能化转变，越来越精确可靠。 1.4 本文设计内容及要求 1.4.1设计内容

我们都知道，电动自行车作为一种比较轻便的交通工具，在时下的使用已非常普遍，在不久的将来极有可能取代自行车的位置，充电器作为电动自行车的核心配件，在市场上也具有很大的占有率，所以本设计做了一个基于SG3525的半桥式48Ｖ/3A电动车充电器。 1.4.2设计要求 ⒈ 输入参数

（1） 输入电压：AC220V，允许的波动范围：180V ~260V，50Hz （2） 效率：≥85% （3） 开关频率：40kHz ⒉ 输出参数

（1） 输出电压：48V/3A （2） 纹波电压:Vp_p<50???? （3） 负载稳定度：≤±1% （4） 电压稳定度：≤±1% ⒊ 技术要求

具有过压、过流和短路保护等功能。 ⒋ 环境要求

（1）温度要求：工作温度：0~50℃ 存储温度：﹣40 ~70℃

7

（2）湿度要求： 工作湿度：0 ~ 85% 存储湿度：0 ~ 95%

（3）耐电要求： 输入对输出2kV ≤ 5mA 输入对外壳 2kV ≤ 5mA 输出对外壳 2kV ≤ 5mA ⒌ 设计要求

完成设计中要完成主电路的设计，各部分电路的介绍，芯片的介绍和选型，各元件参数的计算，变压器的选型。还要设计一个辅助供电电路辅助供电。

8

2电动车自行车蓄电池及其充电方式介绍

2.1 电动车的蓄电池

作为电动车动力的来源，蓄电池得到了很不错的发展，由于各个厂家的生产方式不同，市场上的蓄电池种类也是各有不同。目前常见的蓄电池主要有5种，分别是：铁镍、镉镍、铅酸、氢镍和锂二次电池。我们较常使用的是铅酸电池，占有市场的65%；其次是镉镍电池，占有 30%的市场，而剩下的5%则是铁镍电池和其他电池。

在充放电时，蓄电池内部会发生很多化学反应。以铅酸电池为例，铅酸电池工作时，有在正极板上发生生成二氧化铅的氧化反应，还有在负极板上发生生成铅单质的还原反应，两个反应都是可逆的化学反应。我们可以把它看成是一个有着二氧化铅组成的正极和一个有很多孔的铅构成的负极（海绵状铅都浸入在硫酸的水溶液中，在硫酸的水溶液中发生了以上的所有反应，从而构成了蓄电池。因为上述的反应都是可逆的，他们分别对应了蓄电池的充放电过程，所以我们就可以利用这个原理对它进行充电，让蓄电池经过充电之后能重新达到满电的状态，使之能再次放电。综上所述，我们得到了蓄电池的重要特性，那就是它能反复的充电和放电。

由于蓄电池在充电时会发生放热过程而导致其温度升高，所以在对其充电时必须要注意充电的温度，防止温度过高而导致电池烧毁，严重的可能还会引发安全问题，不容忽视。正常情况下蓄电池充电温度控制在15~30℃较为适宜，温度低于10℃或者超过了40℃，充电效果都不好。除此之外充电器充放电电流的大小和及充放电方式都要考虑进去。

充电器的充电的电压、充电方式以及充电结束后蓄电池应该达到的最终电压，都要依据蓄电池的极板结构和材料来确定。不同厂家生产的蓄电池就算规格相同、型号也相同，但是由于生产工艺上的差异，使得它的性能也有很大的差异，所以，充电器并不能通用，必须相配套使用。 2.2 电动车蓄电池充电方式

我们要求所设计的充电器能够自动转换充电方式，而且具备保护功能。同时，能根据电池充电时的特点，自动选择最优的充电方式，以达到安全高效的目的。充电方式主要由以下几种： 2.2.1 恒流充电

9

恒流充电的电路图如图2?1所示。所谓恒流充电就是在充电过程中始终保持电流的值不变，用恒定的电流给蓄电池充电，那么问题来了，选择多大的电流合适呢？我们往往要求缩短充电时间，而解决这个问题最直接的方法就是增大充电电流，然而充电电流过大会使得电池的温度过高，存在极大的安全隐患；而小电流充电，能够缓慢平稳的对电池进行充能，有利于对电池的保护和保证充电质量，并且其充电时放热较少，所以即使在夏天温度比较高时，也不会使电池的温度过高，这对电池的使用时很有利的，但是因为电流太小而使得长充电的时间太长，这会在我们的日常使用中造成不便，所以在使用恒流充电时，我们要综合考虑电池的容量和使用环境来选择适合的充电电流。

图2-1恒流充电的电路图

2.2.2 恒压充电

恒压充电电路图如图2?2所示。恒压充电即是以恒定不变的电压对蓄电池进行充电，而这个电压是一个非常重要的参数，因为它的确定条件较严格，因为它不能能在比较宽范围内进行调整，所以在确定这个参数时，我们往往要考虑更多的因素，在充电过程中，当蓄电池氧的析出大于还原时，将会发生水化反应；而在充电过程中，因为某些原因（比如电压过低）不能及时充电时，则会使蓄电池发生硫酸盐化。这些问题在选择恒压充电时都要充分的考虑，电压过大会引起蓄电池失水而电压过低又会导致蓄电池出现硫酸盐化。所以，在选择充电电压时，我们要考虑电池的实际情况，选择适合的电压，以避免失水和硫酸盐化的发生。

10

图2-2恒压充电的原理图

2.2.3 浮充法

浮充法的原理图如图2-3所示。浮充法分实质是充电很小，主要是在蓄电池快充满时使用，因为电流很小，当蓄电池处于满电状态时，充电器不会对其进行充电，当蓄电池将满不满时，充电器将会给电池充电，从而保证蓄电池的电量充满。这种有备无患的充电方式对电池的保护有着非常重要的作用，所以在蓄电池的充电设备中得到了很广泛的应用。

图2-3浮充法原理示意图

2.2.4 涓流充电

涓流充电的原理理示意图如图2?4所示。涓流充电相比于前面的恒压、恒流充电方式要复杂一些，其充电的时间不是很长，充电状态不是固定的，往往要根据恒压充电电流的变化而选择是否采用涓流充电，当恒压充电电流减小到我们的预设值以下时，充电器自动采用涓流充电方式，此时充电电流也会随着充电时间的延长而慢慢减小，当它小到一定值时，电流将不再变化，此时的电流值并不是一个固定值，而是与环境温度和电池的实际情况而变动的一个动态值，为了便于设置涓流充电过程结束的时间，我们忽略了其他因素的影响，设置为电流50mA

11

定值。涓流充电虽然对电池具有不错的保护作用，但并不是充电时间越长越好的，涓流充电时间的太长，会因大部分电能用于水的电解，使得电能的转化效率变低。为了不浪费电能，提高电能的转化率，我们必须从涓流充电一开始就定时，在达到预定的充电时间后就立刻停止涓流充电，这样能避免热失控的发生，同时也能保证电池能够充满。

图2-4涓流充电原理示意图

2.3 分阶段充电法

为了实现在充电和对蓄电池的保护功能，我的设计选择了分段充电方式。刚开始充电时采用较大的电流对其充电，当蓄电池快要充满时采用涓流充电方式，慢慢的给电池充电，使之缓慢平稳的充满。这样就能快速给蓄电池充电，并且充电同时能够对保护蓄电池。分阶段充电的各个阶段如下：

第一阶段：使用恒流充电方式。以较大的电流（3.0A±0.2A）对蓄电池充电，这时充电电压会逐渐上升至45V，使充电时间大大降低。

第二阶段：使用恒压充电方式。在恒流充电持续一段时间后，结束恒流充电而采用恒压充电方式，此时充电电压从45V逐渐上升至（48±0.1）V，同时充电电流逐渐降至（0.35±0.1）A，避免失水和硫酸盐化的发生，保护蓄电池的正常。

第三阶段：使用浮充充电方式。当蓄电池快充满时，采用浮充充电方式，此时恒压充电电压是（43±0.1）V，以很小的浮充电流（0.35±0.1）A充电，保证蓄电池能够充满电。

12

充电方式曲线图如图2?5所示。

图2-5铅酸电池充电曲线图

13

3芯片和电路原理介绍

3.1芯片介绍 3.1.1 SG3525芯片

SG3525 是一种结构简单但是性能却非常可靠的PWM波控制芯片，其输出驱动信号为推拉式输出，使用起来方便灵活，比起其他PWM控制芯片增加了驱动能力，性能也得到了大大的提高，通用型极强。SG3525含有软启动电路，在使用时能使电路缓慢平稳的启动，极大的保证了电路的可靠性。此外，SG3525还有欠压锁定功能、PWM锁存器，在电路过流时能提供保护。另外SG3525的频率还是可调的，因此在使用时我们可以根据需要来设置所需的占空比，非常的方便。

SG3525的管脚功能图如图3-1所示。其内部结构如图3-2所示。直流电源从Vs输入脚 15 之后分成了两路供电，其中一路输送到基准电压源的输入端，使之输出稳定的电压作为内部电路的电源；而另一路则给或非门供电。SG3525的频率是可调的，所以在使用时必须在脚 6 接一个电阻RT，在振荡器的引脚5 处外接一个电容器CT以便构成了SG3525的频率调节电路，其频率由外接电阻RT 和电容CT的值决定，我同通常以改变不同的电阻RT 和电容CT的值来改变SG3525的频率。振荡器的输出端被分成了两路，一路给双稳态触发器和或非门供电；另一路则是接在比较器放大器的同相输入端，同时将误差放大器的输出端也接入比较放大器的反向输入端，比较器将两个输出信号比较之后输出一个方波脉冲信号，该输出信号的脉冲宽度取决于误差放大器输出端电压的高低，然后将输出的方波脉冲信号送到或非门的任意输入端。将或非门剩下的两个输入端分别送到双振荡器和稳态触发器的输出端，在振荡器的作用下，使之交替输出高低电平，从而形成PWM脉冲信号，并且将它输出给三极管VT1和VT2的基极，由于锯齿波的死区作用，决定了VT1和VT2只能交替导通，所以最终导致VTl和VT2输出两组相位相反的 PWM波。

图3-1 SG3525引脚功能图

14

图3-2 SG3525内部结构图

SG3525的特点：

（1） 工作电压：8~35V；

（2） 内置5.1V±1.0%基准电压源； （3） 频率100Hz~400kHz； （4） 振荡器外部有同步功能；

（5） 死区时间可调，末级最大电流为400mA；

（6） 设有欠压锁定电路，在电压达不到要求时停止工作，为软启动提供保

障；

（7） 具有软启动功能，可在引脚8处外接软启动电容器，实现电路的软启

动；

（8） 具有PWM脉宽调制功能，系统可靠性高；

（9） 锯齿波平率可调（可以通过改变不同的电阻RT 和电容CT的值来改变

SG3525的频率），计算公式为：

????=

1

3?1

(0.7????+3????)????

15

3.1.2 IR2104芯片

IR2104是一种驱动型器件，主要用来驱动效应管（POWER MOSFE）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。IR2104内部结构图如图3?3所示。引脚功能图如图3?4所示。它采用了高压集成电路和锁存器专用制造技术，即使在不使用CMOS技术的情况下也能做到其结构的增强。它的逻辑输入电压可低至3.3V，这得益于其输出与标准的CMOS和LSTTL是匹配的。为了在其输出驱动特性方面达到最小的跨导值，设计中采用了一个缓冲发生器，以实现高脉冲的电流缓。N沟道功率MOSFET或IGBT的高压侧都能在10~600V电压下工作，适应范围交广。

图3-3 IR2104内部结构图

IR2104的绝对最大额定参数：绝对最大额定参数是指器件在连续工作的情况下，所能承受的最大值，如果超过了这个值，那么就会导致器件烧毁。所有电压参数是在对器件引脚?COM的电压进行参考之后得到的绝对值。热变电阻和功率是在将器件正确安装到电路板上之后，并且使之正常工作在空气环境状态时测量出来的。

图3-4 IR2104引脚功能图

16

IR2104的特点：

（1） 自举时能够承受+600V的反向瞬变电压； （2） 栅极驱动电压范围10V~20V； （3） 具有欠压锁定；

（4） 具有3.3V、5V和15V输入逻辑兼容模式； （5） 具有跨导预防逻辑； （6） 内部设置死区时间； （7） 高端输出相位与输入同步； （8） 关闭输入则两个通道也被关闭； （9） 双通道匹配传输延迟； （10）适用于无铅工艺； 3.1.3 TL341芯片

TL431是一种由并联稳压集成电路构成可控精密稳压电源。它的输出电压在一定范围可调，通过接入两个可调电阻就可以对其实现调压，在使用时通过改变这两个电阻的值就可以实现Vref在2.5V~36V 范围中的调节。TL431的动态阻抗为0.2Ω，由于TL431的特性，我们可以用它来代替稳压二极管的工作，比如运放电路，开关电源等。而在本设计电压反馈电路中我们就用它来实现稳压的作用。

TL431内部模块示意如图3?5所示。模块图中，在运算放大器的反向输入端接入一个2.5V的基准电源Vref（2.5V）。由运算放大器的工作特性可知，只有当REF端的输入电压大于Vref（2.5V）时，运算放大器的输出端输出的才是正向电压，此时三极管因承受正向电压而处于开通状态，电路导通；而当REF端的输入电压小于2.5V时，运算放大器输出的是反向电压，三极管因承受反向电压而处于截止状态，电路断路。TL431在实际工作时，通过三极管的电流随着REF端输入电压的变化而在1mA~100mA内变化。

17

图3?5TL341 内部结构模块示意图

（a） (b)

(c)

图3?6 TL341 内部等效电路图

TL431内部等效电路图如图3?6所示。前面我们已经说了TL431可代替稳压二极管用在一些电路中，之所以能代替稳压二极管，是由他的结构决定的，它内部电路结构的等效电路如下图所示。图3?6(a)可以等效为一个2.5V基准源，图3?6(b)可以等效为一个可调基准源，其中电阻R2和R3与输出电压的关系为：

??2

????=(1+)2.5V 3?2

??3

TL431的工作原理：由于输出电压与输入电压是成正比的，所以由于输入电压的增大，输出电压也跟着增大，导致输出采样随着输出电压增大，这时内部电

18

路的电流也增大，导致限流电阻的电流也跟着增大，电压限流电阻的压降也增大，使得输出电压减小，最终实现了TL431的稳压功能。

TL431的特点：

（1） 输出电压最高值40V；

（2） 动态输出阻抗低，代表值为0.2Ω； （3） 阴极电流为0.1mA~100mA；

（4） 温度特性平坦，代表值为 50ppm∕℃； （5） 噪声输出电压低； （6） 可以快速开态响应； （7） ESD 电压为 2000V； （8） 输出电压计算公式：

????=(1+

??2

)2.5V 3?3 ??3

19

3.2电路原理介绍 3.2.1主电路电路原理

图3?7电动自行车充电器主电路图

主电路图如图3-7所示。本设计是基于SG3525的半桥充电器电路，市电在经过整流之后接入半桥电路，通过SG3525和IR2104的控制与驱动得到一系列的脉冲电流，再经过变压和整流电路的二次整流之后得到我们需求的直流电压，然后从整流桥引出两个端口做成电动自行车的充电接口。为了保证电路的可靠性和

稳定性，电路还添加了电压反馈环节和电流反馈环节。其中电压反馈环节接在二次整流的输出端，以TL431和光耦互感器做为核心，设计了一个电压反馈电路，通过光耦互感器将反馈电压反馈至SG3525，SG3525对反馈信号进行分析处理之后，发出相应的脉冲波控制IR2104芯片来驱动半桥电路工作，使之输出的电压始终在允许的范围内，防止过电压对电路中的电子器件造成烧毁，从而保证主电路的正常工作；电流反馈电路是以两个比较放大器为核心设计的，采样端接在半

20

桥电路下桥臂功率开关管的栅极，采样得到的电流信号经过比较放大器的比较处理之后反馈给SG3525和IR2104，从而控制主电路的电流，防止故障时电路中的电流过大而导致电子器件的烧毁，从而达到过电流保护的目的。 3.2.2整流电路

电动车充电器使用的是直流充电，所以我们必须把220V交流电整流为直流电之后才能正常使用，这就需要在主电路中添加整流电路来实现，由于考虑到实际应用的情况，在本设计中采用了两个整流电路，一个是一次侧整流电路，另一个就是二次侧整流电路，一下分别介绍。

（1）一次侧整流电路

目前最常用的整流电路是由整流二极管构成的桥式整流电路，本设计一次侧的桥式整流电路图如图3-8（a）所示。电路图由四个工频二极管按照一定结构连接而成，由于二极管的单向导通特性，所以使得电路有了整流的功能。下面分析一下其工作原理：当输入电压AB工作波形在正半周期时， D1、D3因受到向电压而导通； D2、D4因受到反向电压而截止。此时电路中电流的流向回路为A→D1→Rfz→D3→B，在Rfz上得到了正下负的半波电压；当输入电压AB的工作波形在负半周期时， D2、D4因受到正向电压而导通； D1、D3因受到反向电压而截止。此时电路中电流的流向回路为A→D2→Rfz →D4→B，在Rfz 上也同样得到了相同的半波电压。由于输入电压具有周期性，上诉的过程会周而复始的重复下去，最后在Rfz 上就得到了一系列连续的整流电压，波形图如图3?7（b）所示。

图3-8（a）整流电路原理图 图3-8（b）整流电路波形图

（2）二次侧整流电路

21

在本设计中二次侧电流是高频电流，所以在设计整流电路时采用了肖特二极管作为整流电路的元件，整流电路图和波形图如图3?9（a）和3?9（b）所示。其实它的整时的原理和前面介绍的工频二极管构成的桥式整流电路原理是一样的，不同的是它们采用了不同的二极管，下面重点介绍本电路采用的肖特基二极管。

图3-9（a）整流电路原理图 图3-9（b）整流电路波形图 肖特基二极管是一种金属-半导体器件，正极由金属A构成，负极由 N型半导体B构成，由于在金属和半导体的接触面上形成了势垒，从而使之具有单向导通的能力。

肖特基二极管的特点：

（1）金A属中的自由电子很少并且没有空穴，N型半导体中有大量的自由电子。

（2）只存在电子从浓度高的B中向浓度低的A中扩散运动而不存在空穴从A向B的扩散运动。

（3）在肖特基二极管导通时，随着电子从高浓度向低浓度的扩散，使得两极表面的电中性被破坏而出现正负电性，于是就在两极之间形成了势垒。

（4）在势垒电场的作用下，金属A中的自由电子发生从A→B的漂移运动，从而减小了扩散运动形成的电场。 3.2.3 滤波电路

我们都知道交流电经过整流之后会带有谐波，如果不将谐波滤除，将引起电路中电流的波动，从而影响电路的稳定性，这对于电子器件是不利的，所以必须加入滤波电路来滤除整流谐波对电路的影响。

根据电路知识：理想电容在直流（f=0）电路中的容抗是无穷大的，而在交流交流电路中，电流频率越高则电容的容抗就越小；理想电感在直流（f=0）电路中的感抗是0Ω，相当于短路，而在交流电路中，电流频率越高则电感的感抗就越高。

22

根据以上的叙述，我们可以利用电容电感的特性做出各式各样的滤波器。如图3?10（a）所示电路是电容滤波电路。电容滤波电路一般接在整流电路之后，其功能是输入带有谐波脉动的直流电，经过滤除谐波之后输出相对比较平滑的直流电。图3?10（b）电路是RC滤波电路。其中C1一般采用容量较大的电解电容，然而它具有一定的寄生电感，从而使得它对高频电流的旁路效果变差。因此，在实际应用中，我们要充分考虑到这个问题的影响，所以必须并联一个电容和寄生电感都很小的高频电容C2来改善对高频滤波的效果。

我国的工频电压为220V、50Hz的交流电，其波形是标准光滑的正弦波，但是由于日常生活中使用各种各样的电器的原因，在这些电器工作时，会有很多谐波窜进电网中，对其波形造成干扰，使其波形发生变化，产生波动。所以在这样的情况下，图3?10（c）所示电源噪声滤波电路就得到了重要的应用，该电路串联在市电和桥式整流电路之间。用以隔离电网和充电器，阻挡干扰信号充电器和市电电网之间传递，这是一个非常有价值的滤波电路，可以说它对市电电网和用户电器都起到了很好的保护，本设计也使用了这个滤波电路。

如图3?10（c）所示，将双线并联同磁芯滤波电感L串联在电路中。电容C1、C2、C3、C4接地。这些电容器的容量并不大，但是因为关系到人生安全，

我们必须对它提出要求：不能漏电，耐高压。

图3-10（a）电容滤波电路 图3-10（b）RC滤波电路

23

图3-10（c）噪声滤波电路

3.2.4半桥电路

图3-11半桥电路

如今，半桥电路的应用非常广泛，尤其是在在PWM中半桥电路起着至关重要的作用。接下来我们介绍一下半桥电路。如图3-11所示，半桥电路的结构是由两个功率开关器管构成的，它的作用是输出方波信号。图中功率开关管Q1、Q2与电容器C1、C2接成半桥电路桥臂，假设此时C1=C2，那么当某个功率开关管处于导通状态时，半桥边路的输出电压是电源电压的一半。这就是是半桥电路的特点。

半桥电路具有工作效率高和输出功率大的优点。由于它显著的优点，半桥电路被应用得很广泛，但是，在使用中也要注意一些问题：

（1）偏磁问题：偏磁问题是因为在两个电容连接点的电位浮动不满足要求时，会使两个功率开关管连接点的输出电压波形不平衡，导致偏磁现象，使变压器铁芯饱和，同时使流过晶体管集电极的电流变得非常大，这将会导致晶体管失去控制，甚至将它烧毁。

解决办法：解决偏磁问题的最佳方法就是在变压器原边线圈中串联一个电容C3，将直流偏压滤掉，这样晶体管就能够自动平衡掉电压的伏秒值，以解决偏磁问题。

（2）桥臂电容的选择：选用桥臂上两个电容C1、C2时，应该使C1=C2，这样就可以解决电容的均压问题，并且还要在两个电容两端各并联一个阻值相同的电阻R1=R2。

（3）直通问题：所谓直通就是功率开关管Q1、Q2被同时导通，这样将会导致电路短路。

24

解决办法：可以通过限制驱动脉冲宽度的最大值来避免直通问题的发生。 （4）半桥电路驱动特点： ①隔离驱动。 ②上下桥臂不能共地。

3.2.5半桥电路的驱动电路

在本设计中，半桥电路的驱动电路主要是以IR2104为核心的电路，通过IR2104的控制，实现对电路的驱动。接下来我们介绍一下半桥驱动电路的原理。 其实半桥电路的驱动很简单，我们只需要驱动半桥电路的上桥就可以了。图3?12中D1是一个快速恢复二极管，C1是一个自举电容。PWM的调制在上桥实现。当Q1关断时， VCC和D1开始对C1进行充电。当输入信号Hin导通时，C1给上桥的驱动供电，所以我们称C1为自举电容。值得注意的是，在每个PWM周期， C1的电压都始终保持不变。当Q1关断时，续流二极管D1为C1充电提供电流回路通道；当Q1开通时，D1承受反向电压而截止，从而阻止了电流流入控制电压VCC的电路中，采用D2来使上桥能够快速处于关断状态，减小开关损耗；由于在上桥快速开通时，下桥的栅极电压耦合上升(Cdv/dt)会导致上下桥穿通的现象，所以采用D3来解决这个问题。

图3-12半桥驱动电路

3.2.6电压反馈电路

在生活中，我们要求充电电路要做到稳定可靠，这样才能便于人们的生活和出行，因此在电路中加入过电压保护是很有必要的，而过电压保护我们常常需要采用电压反馈的形式实现，本设计就是通过光耦互感器电压反馈的方式实现。电压反馈电路原理图如图3-13所示。输出电压通过集成稳压TL341和光耦互感器采样之后反馈到SG3525的1脚，为了提高稳压精度，可以适当调节R1、R2的分压比，当然也可以通过调节输出电压来实现。如果输出电压????升高，将导致

25

TL341的阴极到阳极的电流变大，使光电耦合器的三极管输出的电流变大，即就是SG3525的1脚接地分流增大，使得SG3525的输出脉冲变窄，最终将导致输出电压????减小。同理，如果输出电压????减小，可通过反馈调节使之升高。

由于我们使用了光电耦合器，把输出和输入隔离成两个部分，这样做减少了弱电和强电的电磁干扰，使得电路的抗干扰能力得到提高，并且我们的蔡妍对象是输出电压，对稳压性能也是一种保证。但是这么做的缺点就是会使得是外接元件太多，增大了电路的复杂性，增加生产成本。但是与其秀的性能相比完全可以忽略这些不足了。

图3-13电压反馈电路

3.2.7 电流反馈电路

要想主电路稳定可靠的工作，光有电压反馈环节是不够的，我们还需要添加电流反馈环节，从而更好的保护电路，使电路的稳定性得到更大的提升。电流反馈电路图如图3?14所示。该电路主要由两个电流反馈放大器核心构成，实现对电流的样处理，并且反馈给SG3525的1脚，实现对主电路的过电流保护。

电流反馈的核心是比较放大器，比较放大器具有一个同相输入端、一个反相输入端以及一个输出低阻抗。在没有输入时，同相输入端电压将会产生一个高输入电阻，反相输入端会出现同相输入端的电压。由于我们并不能保证缓冲器是理想的情况，所以它会产生一个增益??(??)，这可增益受频率变化的影响，DC幅度非

26

常接近1V/V，通常为0.996V/V。

图3-14电流反馈电路图

缓冲器的作用有两个：

（1） 保持反相节点电压与同相输入电压同步； （2） 提供一个低阻通路来让误差电流通过。

????

=??+∝ ?? (1+????)1+

????+????(1+??)

????????

??

3?4

??(??)??

??

其中(1+????)是噪声增益

环路增益可表示为：

????=

??(s)

????+????(1+??)

??

????

3?5

这个公式表明了环路增益与反馈电阻的比例关系，通过公式可以看出，可以用反馈电阻作为电流反馈放大器的主要补偿方式。事实上，如果增加（BW）反馈电阻的级带宽，不仅会增大其带宽，同时还会使反馈电阻降低。所以实际应用中，我们并不能过度的降低反馈电阻的阻值，不然将会导致放大器会出现震荡。如果R≠0，带宽与增益的比例关系就不成立，这时增益带宽的结果无关。 3.2.8辅助供电电路

为了使控制电路和驱动电路稳定可靠的工作，我们必须设计一个可靠的供电电路，我们称之为辅助供电电路。辅助供电电路的重要作用就是给驱动电路和控制电路提供稳定的低压电源，其比较常见的输出电压有24V、15V、12V、5V 等，而本设计选择的是15V。接下来介绍一下辅助供电电路的工作原理。

辅助供电电路图如图3?15所示。220V的工频交流电经过全波整流、滤波处理之后接入LM7815，通过LM7815的稳压作用使得该辅助供电电路的输出电压始终稳定为+15V，并且给控制电路和驱动电路供电，保证驱动电路和控制电路的芯片VCC电压始终为+15V，从而保证了控制电路和驱动电路的稳定性和可靠性，也保证了整个电路的稳定性和可靠性。

27

图3-15辅助供电电路图

4变压器的选择和元器件参数计算

4.1变压器的设计

①确定变压器的电源参数

????范围：交流220V±40V，50Hz； 输出电压：48V/3A； 效率：≥85%；

纹波电压:Vp_p<50????； 负载稳定度：≤±1%； 电压稳定度：≤±1%； 最大温升：50℃； 开关频率：40KHz； 冷却方式：自然通风； 占空比：0.4；

②确定占空比绝对限制??lim，假定??imin时??max（保证动态响应）和额定??i??：??lim：0.47?2； 额定??max：0.42?2； 额定??i??：

??imin??max180×0.42×2

==75.6 4?1 22??imax??lim260×0.47×2

==122.2 4?2 22③计算二极管正向压降：

′

????=48+1=49?? 4?3

④计算希望的匝比：

????????260n==′==5.34?4

????1U??49取匝数比为6 ⑤计算AP值

根据要求选择EI型铁芯

35??35×120??

AP=????????===3500????44?5

????????????40×0.03查表得，EI25的AP为3662.47mm4，满足设计要求，但是很容易引起铁芯磁

28

饱和，而且原副边匝数过多，铜耗相对较大。如果选EI28的话磁芯相对较大，裕量也很充足，比较适合。查表得EI28的????为77.04????2。

⑥计算次级匝数：

′′????????????????49×0.025×103

????1===≈265.014?6

?Φ2×????????×????2×0.03×77.04为了保证为整数匝，可适当选取????1=266 ⑦确定初级匝数

????=??????1=6×266=15964?7

取????=1596

重新计算??i??和最坏情况时的

′

??i??=??????=6×49=294??4?8

0.16×14.1

????????==0.288??

7.84⑧计算50KHz时的穿透深度

δ=

⑨计算线圈有效值

2??2 2×3??1===0.57??4?11

??6⑩确定次级线圈

????1=

查AWG导线规格表确定导线规格 确定初级线圈

????2

??2

=4?13 ????1

4?12 ??7.65 ??=

7.65 40000=0.38254?10

查AWG导线规格表确定导线规格

根据以上计算的参数分析，我们选择次级线圈导线电流密度4A/????2,所需绕组导线截面积为3/4=0.75????2；同理可选择初级线圈导线电流密度为4A/????2,所需绕组导线截面积为0.21/4=0.05????2。

29

4.2 输出滤波电感选择

工作在电流连续模式，电感量为

??????off49?100???1L≥==2.45mH4?14

???2?0.1?1取L=2.45mH。

式中：Ui——电感输出端电压（V）；

1

D?Ton/Ts——占空比；

fs?1/Ts——开关频率（Hz）； I0——输出电流（A）；

Ton,Toff?Ts?Ton——输入电压的高电平（导通）时间和低电平（截止）

时间，k??I/2I0。 一般选取k=0.05~0.1。

4.3 SG3525确定频率的电容和电阻参数计算 由

1

????=4?15

????

得：

11?4

????===0.25×104?16 3??40×10??

由

D=

得：

??????=??????=0.4×0.25×10?4=0.1×10?44?18

由

????=0.7????????+3????????=??on+??off4?19

得：

??on=0.7????????，????????=3????????4?20

所以有：

D=

??on0.7????????0.7????===0.44?21 ????0.7????????+3????????0.7????+3????

30

??on

4?17 ????

则：

1.2????

????=4?22

0.42取????=500Ω，则????=858Ω； 所以：

??on0.1×10?4

????===0.0167μF4?23

0.7????0.7×8584.4 SG3525的软启动电阻说明

我们都知道SG3525的软启动能让电路平稳的启动，对电路和元件能起到很不错的保护，软启动的时间与软启动电阻的容量有着密不可分的关系，软启动电容小启动时间短，软启动电容越大启动时间越长，那么究竟软启动电阻多大为宜呢？为此我查阅了相关资料，做了如下分析。软启动电阻过小启动时间过短，对电路的平稳启动影响不大，对电路和元件的保护作用也不明显，这样就会失去了软启动能保护电路的意义；而软启动电阻过大启动时间过长，则会影响电路的灵敏性，是的系统对认为操作的响应过慢，影响用户的使用体验，这也是不好的。所以，我觉得软启动电阻中等即可，不过小也不偏大最好，故此， 我选择为1μF。 4.5输入输出滤波电容选择 4.5.1输入滤波电容选择

??????off260?100???1L≥==13mH4?24

???2?0.1?111

C=22==0.12×10?2????4?25 2?3264??????4×3.14×13×10×40×104.5.2输出滤波电容选择

由4.2已知L=0.65mH，又知道开关频率为40KHz。便可计算出滤波电容的容量：

11C=22==2.4×10?2????4?26 2?3264??????4×3.14×0.65×10×40×104.6一次侧整流二极管的选择

整流二极管承受的最高反向电压为：

????=260??4?27

续流二极管承受的电流：

??????1=??????2=??????3=??????4=0.57??4?28

综合以上数据分析，我选工频IN4004型号的硅整流二极管，其能承受的最

31

1

高反向电压为400V，最大电流为1A。

4.7 开关管、续流二级管和二次侧整流二极管的选择

由于开关管断开时初级绕组??1两端的感应电动势被限制为????=310??，则直流输入的最大值为：

??imax=260× 2≈367??4?29

整流二极管承受的最高反向电压：

??2266

????=??=310×??=51.7??4?30

??11596续流二极管承受的最高反向电压： ??271

????=??????????=367×??=18.35??4?31

??11420整流二极管和续流二极管的最大电流：

??????1=??????2=??????3=??????4=1.1????=1.1×3A=3.3A4?32

综合上面的计算，我选整流二极管为肖特基全桥MBR05120CT，其平均整流电流为5A，能承受的反向电压最大值为120V。开关管选用MOSFET IRFY430，最大漏极电流为3.5A，漏极击穿电压500V。

32

33

5MATLAB仿真

由于我们还是在校的学生，没有较多的经济来源，也没有很广的人脉作为支撑，所以要将我们所设计的充电器制造出来有些困难，因为我们没有生产线的支持，并不能正真做出自己设计的东西，但是想要知道我们设计的充电器性能怎么样，也并不是没有办法的事，我们可以通过MATBAL仿真来实现，利用MATBAL对我们设计的充电器工作情况进行仿真，通过对其分析其输入、输出的电压和电流波形的分析，我们就可以直观的看出我们设计充电器性能，不得不说这个方法是非常好的，让我们没花一分，也不需要付出什么作为代价，就可以轻易的实现对充电器的性能的分析，这真的是对我们最大的益处。以下是我的仿真实例。

半桥仿真电路图：

PWM波形图：

34

半桥电路输入电压波形图：

半桥电路输入电流波形图：

输出电压波形图：

35

输出电流波形图：

由以上的仿真结果可以看出，本设计电路中，工频交流电在经过整流滤波之后通给半桥电路，半桥电路在驱动电路PWM波的驱动下，得到了幅值为310V的正负脉冲电压，同是也产生了幅值为约0.57A的正负脉冲电流，幅值为310V的正负脉冲电压通过变压器变压之后再经过二次整流，将得到的整流输出做滤波处理之后得到了最后的直流输出电压和电流，由上面的波形图可以看出，直流输出电压约为48V，直流输出电流约为3A，这个结果和我们设计课题要求的结果基本符合，误差比较小，所以我的设计基本达到了课题要求的结果，成功的设计出了基于半桥电路的38V/3A电动自行车充电器。

当然，从以上给出的波形图中，我们可以看到，有的波形图的波形并不是很平稳，波动比较明显，这是因为我们的仿真电路中滤波电路并不是很完善，以及各个器件的参数设置也不是很精确，所以滤波效果不是很明显，大部分的谐波干扰依然残留在主电路中，对电路造成了谐波干扰，导致我们仿真的波形图出现不平稳波形，但是这些都是可以接受的，我们仿真的目的就是为了验证电路的输出的，对真正的生产只是作为参考作用，所以只需要大致的结果以作分析就可以了，不需要太过精确，因此以上的波形不平稳我们是可以忽略的。

36

6结论

电动自行车的优点较多，对我们生活的作用也较大，为我们的生活提供了不少了方便，因此他收到大众的青睐也是顺理成章的。由于电动车的大量普及，同时也带动了电动自行车蓄电池充电器的发展，各种形状和功能的电动自行车充电器层出不穷，本设计就是基于SG3525的半桥电动自行车充电器，设计借鉴了市场上一些充电器的知识作为基础，加以自己的设计说明，大学四年所学过的《模拟电子技术》、《开关电源技术》、《电力电子技术》等学科作在本设计中都有所应用，将理论和实践充分的结合在一起，为以后工作生活打下了牢固的基础。 本设计也有些不足之处，因为电路较为简单，器件也较为廉价，使得电路的可靠性和稳定性有点不足，但是总体来说，结果还是很不错的，已经完成了《基于半桥电路的48V/3A电动自行车充电器设计》这个课题的要求，我还是比较满意的。

37

致谢

在这次设计中我也遇到了不少的困难，因此，我请教了我的指导老师，并且在私底下也和同学之间相互交流，他们对我的帮助很大，我能顺利的完成本次设计任务，首先我要感谢我的指导老师，他给我指出了很多错误，也教会了我很多东西，比如教会了我论文相关内容的设计以及论文的格式等，很感谢老师的耐心指导！也感谢学校四年的培育，还有在四年里教过我的每一位老师，是您们的悉心教导，才成就了现在的我，真心的感谢您们！您们的教导我会铭记于心，在以后的日子我会不断的学习和充实自己，让自己变得更加的优秀，我一定不会辜负您们的期望的！

38

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m9rp.html