多功能充电器电路设计毕业论文.doc

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1、 毕业设计（论文）设计（论文）题目 多功能充电器电路设计 学 院 教 学 系 班 级 姓 名 指导教师 2014年5月目 录1 绪论11.1 选题意义11.2 研究目的11.3 课题研究范围和技术要求21.4 国内外发展概况21.5 指导思想52 多功能充电器电路设计62.1 方案选取62.2 单元电路设计82.3 充电器整机电路103 电路制板143.1 Protel电路图143.2 PCB板图154 硬件电路制作与调试164.1 电路制作164.2 电路调试17总 结18谢 辞19参考文献20 1 绪论1.1 选题意义 电能是当今最重要的能源形式,电能使用最方便,适用范围广阔,并且是清洁的

2、.为了节能与用电的便携，本课题将制作一个多用充电器，使它能够更加适应人们的需求，其设计是将220V电压转换成3-6V直流稳压电源，可以作为小型电器的外接电源，亦可以对1-5节镍氢电池进行恒流充电.它由变压器、整流滤波电路和恒流稳压电路等组成，说明了各个电路的工作原理。随着数码相机、 MP 3和 CD碟机等电器逐步进入爱好者手中。 充电电池的使用也更加普及。 对充电器的要求也愈来愈高了。充电器应以实用方便为主，原则要求：可以对常用的 1 4节镍镉、镍氢和锂电池进行单独或同时充电。互不影响；可以选用多种电流进行充电。以满足不同种类、不同容量电池充电的需要。充电器应具有保护措施。防止过充电；为消除镍

3、镉电池的记忆效应和恢复电池的容量。1.2 研究目的培养动手能力、分析和解决实际问题的能力、以及工程设计能力和创新意识。通过毕业设计巩固提高已学的技术知识，了解所学专业的发展趋势，能够运用已学内容，与实际工作相结合，同时培养端正的学习态度，严谨的工作作风，以及团队合作精神和良好的安全意识。1.3 课题研究范围和技术要求设计指标：（1）设计并制作一台具有放电功能的自动充电器。具有放电完毕自动转入充电状态的功能。（2）充电电流为500mA。（3）充电电压为3.2V（每节1.6V）1.4 国内外发展概况锂离子电池因高能量密度的特点越来越受到人们的欢迎。但是，再强劲的锂离子电池也有能量耗尽的一刻，只有跟

4、充电器完美的配合，它才能发挥最大潜能。于是，在锂离子电池大放异彩的今天，充电器芯片也得到了越来越多的关注。1、多方面的挑战锂离子电池的容量还在不断地增大。而且，在很多场合中，多节锂离子电池要串联或并联在一起供电。在这种情况下，快速充电能力就成为了衡量充电器IC的重要因素。而充电器IC的充电速度主要由充电电流来决定，所以各家厂商都在尽力加大充电器IC的快充电流。其次，充电器IC的效率也是个重要问题。特别是在能源紧缺的大环境下，如何提高充电器的效率就显得尤为重要了。另外，充电器IC的灵活性，因为锂离子电池的充电过程是非常复杂的，这就要求充电器IC能有相适应的办法。而且，各种终端设备的用电情况也不相

5、同，使得充电器要有很强的适应能力。第四，则是充电的安全问题。近两年内，有关锂离子电池自燃、爆炸的事故经常出现。虽然大多事件跟充电无关，但充电的过程中这个危险也同样存在。过流或过压的情况都会使锂离子电池的温度陡然升高，最后燃烧爆炸。所以，安全性问题是绝对要倍加重视的。最后，充电器的小型化趋势明显，这就同时意味着充电器IC在功能更加丰富的同时，继续缩小自己的尺寸。2、活跃的充电器IC市场虽然挑战诸多，但充电器IC的市场还是非常诱人的。据有关方面统计，中国去年全年就生产了几亿个充电器，而这个数字在今后还会继续增长。所以，各个电源芯片厂家纷纷推出各式充电器芯片。在本年内，就有多款芯片问世。这其中，有F

6、reescale公司的MC3467x系列，Maxim公司的MAX17005/MAX17006/MAX17015，Linear公司的LTC4061，TI公司的bq24083等。它们除了具备快速充电，高效率和多重防护能力外，并还有着自己的特点。比如，MC3467x系列就内置了寄存器，可以根据客户的需求，在生产流程结束时对管脚输出、功能集和充电参数、LED指示灯进行定制，从而组合成数百种配置，满足多种应用。图1-1是MC3467x的简明结构。图1-1 MC3467x系列内部结构3、精确控制前面提过，锂离子电池的充电过程比较复杂。在充电初期，充电器要以恒定电流充电，直到电池电压达到充电电压限度。该阶段

7、一般能完成60%70%的充电量。然后，电池再以恒定电压进行充电。此恒压值一般处于4.14.2V之间，电压准确率要在1%之内。此处就是体现充电器IC功力的地方，优秀的充电器IC，其电压准确率都很高。以MC3467x系列为例，MC34671和MC34673在-20+70温度范围内的输出电压精度为0.7%(室温下为0.2%)，在-40+85温度范围内的充电电流精度为5%和6%。精确的电压控制使得电池在不受损害的条件下，可以充至最大电量。这样既延长了电池寿命，又减小了能耗损失。在恒流和恒压充电方式之外，锂离子电池还存在一种充电模式，那就是涓流充电。这种方式存在的原因是存放很长时间的已放电电池可能处于深

8、放电状态，对其进行大电流充电，会造成一定损害。在这种情况下，在进行完全充电过程之前要先来一段时间的小电流充电。对于MC3467x系列来说，当电池电压小于涓流模式阈值电压的时候，涓流充电模式启动，芯片以恒流充电电流20%的大小来进行充电。对于充电器IC来说，对充电过程的控制是最为重要的。以MC3467x系列为例，在最后的恒压充电过程中，当充电电流降至EOC（充电截至）电流的时候，充电IC会通过CHG信号通知用户电池已充满，但是充电过程并没有终止，芯片会继续输出精确的锂电池充电终止电压4.2V，并对电池电压继续监控，当其低于再充电电压阈值时（负载电流大于恒流充电电流导致电池放电，电压下降），充电器

9、会重新发出充电信号，将电池恢复到满充状态。整个充电过程如图2所示。 对于充电器IC来说，充电电流是可以设定的。通过调整外接电阻，就可改变输出电流。另外，像EOC电流、再充电阈值、涓流充电压阈值也都是可以设定的。这样，就使得充电器IC的适应性大为增加。图1-2 充电过程电压曲线4、多重防护对于充电器来说，最容易出现的问题就是错接AC适配器，过高的输入电压会损害充电器。为此，很多充电器都调高了可接收的输入电压。如MC3467x系列，其能接收的输入电压就为28V。这样就使用户不用担心错接AC适配器。当然，防护的重点还是在充电过程中。首先，要防止充电电压超过锂电池额定电压。其次，要防止恒流充电时的电流

10、过大。再次，在大电流充电的场合，充电器要有检测电池温度的电路及温升速度(T/t)电路，若电池达到某一设定温度或温升速度时，会自动终止充电，防止出现不安全情况；为了安全，充电器还设有充电定时器，以防止充电时间过长所带来的损害。对于具体的产品来说，像MC3467x系列，其就具有过压保护、超时检测、充电电流热过载保护等功能。并且，这些功能的阈值参数也可以设定，极大方便了用户的调试和使用。充电器IC的发展趋势就是精确、安全和小型化。同时，还有更加多的数字技术融入其中。像是I2C接口，已经出现在很多芯片其中了。而且，取电方式也从单一的适配器向USB兼容方向发展。相信随着微电子技术以及电池技术的发展，充电

11、器IC还会有更大的发展空间。1.5 指导思想巩固所学知识，掌握多功能充电器电路的设计方法，培养基本的电子电路分析和设计能力。掌握电子电路制作方法。通过设计多功能充电器电路，对电子电路设计、分析、电路制作与调试有深入理解和掌握。2 多功能充电器电路设计2.1 方案选取多功能充电器电路设计有以下几种方案可以选取方案一：AT89C51智能充电器电路 本方案设计充电器通过单片机进行智能控制，从而实现数字化、智能化、通用化和低功耗.基于单片机AT89C51的电动自行车快速充电器的设计,给出系统的工作原理、硬件结构,在充电过程中用单片机控制。该设计具有自动化程度高、运行费用低、工作可靠等优点。如图2-1所

12、示。图2-1 AT89C51只能充电器电路方案二： 基于UCC3895与PIC单片机的智能充电器图2-2 充电器主电路原理图UCC3895是TI公司生产的专用于PWM移向全桥DCDC变换控制的新型芯片，可工作于电压模式，也可工作在电流模式下并且可实现输出脉冲占空比从0到100%的相移控制，软启动和软停止可按要求进行调节，PIC单片机与UCC3895共同组成控制器部分，相对于只是用单片机控制器的方式具有响应速度快，控制精度高，软件设简单，运行稳定等特点如图2-2、2-3所示基于UCC3895与PIC单片机的智能充电器。图2-3PIC单片机电路图方案三：多功能充电器电路本设计采用第三种方案，该方案

13、框图如图2-5所示，本方案设计充电器电路简单，制作容易，成本较低，更重要的是具有放电完毕自动转入充电状态的功能，方便使用，延长电池使用寿命。因此选用本方案。图2-4多功能充电器原理框图智能充电器电路主要由三部分组成：电源电路，放电电路以及充电电路电源电路只要用于将生活用电220V50Hz的交流电源经电压变压器降为12V的交流电经过桥式整流滤波变为14V的直流电，再经7805型稳压稳压管稳定后作为其他电路单元的工作电源。充电电路则以继电器以及一些智能芯片或者单片机等完成充电过程，而放电电路则用于消除镍镉电池的“记忆效应”记忆效应是指如果电池属镍镉电池，长期不彻底充电、放电，易在电池内留下痕迹，降

14、低电池容量，这种现象称为电池记忆效应。意思是说，电池好像记忆用户日常的充、放电幅度和模式，日久就很难改变这种模式，不能再做大幅度充电或放电。 锂离子电池不存在这种效应。2.2 单元电路设计多功能充电器电路整体分为三部分：电源电路、放电电路、充电电路。1、电源电路设计（1）电源电路单元电路的第一部分主要是将电压转换，供给其他单元电路工作，通过控制电路，控制电流，稳定输出，为后续的充放电电路提供稳定的电压供给。图2-5电源电路电源电路包括：电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、控制电路电源电路只要用于将生活用电220V50Hz的交流电源经电压变压器降为12V的交流电经过桥式整流滤波变为14V的

15、直流电，再经7805型稳压稳压管稳定后作为其他电路单元的工作电源。（2）工作原理如图2-4所示，从变压器送过来的8-10V交流电压经由二极管VD1-VD2组成的桥式整流电路整流后，在有大容量电容器C1滤波，并在此电容器上建立一个12V左右的不稳定的直流电压。此直流电压作为稳压电路的输入电压从电路的左边输入，由电容器C2和电阻IC27805组成的稳压电路调整后，从电容器C3的两端输出稳定的3.2V直流电压。2、放电电路设计（1）放电电路消除电池的“记忆效应”，避免每次充电时造成的电池容量衰减，延长电池的使用寿命。放点电路结束，充电电路开始图2-6放电电路（2）工作原理放电电路如图2-5所示：由运

16、放IC1-b及周围元器件组成。放电电流由R6决定，一般放电电流为电池容量的1/5。开始放电时按下AN2，IC1-b的“+”端电位高于“-”端，脚输出高电平，VT3导通，K吸合，充电电池电压经R7加至运放“+”端，维持“+”端电位高于“-”端。同时绿色LED3点亮，指示正在放电。随着电池电压的降低，当“+”端电位低于“-”端时，脚输出低于电平，VT3截止，K失电释放，并将充电电池接入充电电路。此时放电结束，充电开始。3、充电电路设计（1）充电电路通过控制电路稳定输出恒定电流，当电池端输出高电压时，表示充电结束，此时电路停止充电，避免不必要的电量浪费，实现真正的智能充电。为补偿自放电，使蓄电池保持

17、在近似完全充电状态的连续小电流充电。又称维护充电(浮充）。电信装置、信号系统等的直流电源系统的蓄电池，在完全充电后多处于涓流充电状态，以备放电时使用。 是用来弥补电池在充满电后由于自放电而造成的容量损失。图2-7充电电路（2）工作原理充电电路如图2-6所示，由运放IC1-a及周围元器件组成。可调电位器RP1通过R1接至5V稳定电压。调节RP1可使IC1-a的“-”端提供不同参考电压。运放“+”端与输出端之间接一反馈电阻R2。同时又经R3接至充电电池正极。两只红色发光二极管LED1、LED2与RP2、VT1、VT2、R5组成可调恒流电路，发光二极管起充电指示和提供基准电压的双重作用。开始充电时按

18、下AN1，运放输出低电平，恒流电路工作。由于电池电压低于运放“-”端设置的电池充满终止电压，故运放保持低电平输出，充电继续进行。随着电池电压的升高，当IC1-a“+”端电位升至大于“-”端时，运放输出高电平，恒流电路停止工作，充电结束。电阻R2的作用是在充满临界状态时加速状态转换并锁定此时状态，即使电池电压降下来也保证不重复充电。VD5使在停止充电时，VT1、VT2能更可靠地截至。2.3 充电器整机电路充电器整机电路如图2-8所示，为保证电池放电结束可靠地转入充电状态，应在按动AN2时也按下AN1使恒流部分一直处于工作状态（此时由于无充电回路，故耗电很小）这样只要K释放复位，电池立即被充电。对

19、新电池进行充电，由于不用放电，故只需按一下AN1直接进入充电状态即可。对于打算长时间不使用的充电电池，应放电完毕后收藏。此时按一下AN3，使IC1-a输出高电平，恒流电路不工作，然后再按AN2放电即可。对于因”记忆效应”而容量减少的充电电池，应循环充、放电3-4次，这样基本能达到标称容量。注：VD1VD6：可选用1N4001 IC1：可选用LM358或TL082（图中元器件取值按一次充两节电池计算）图2-8整机电路图3 电路制板电路制板采用Protel99SE专用软件。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但

20、它的功能也较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到DXP 2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通

21、率。在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上。Protel 制版过程：1、利用原理图设计工具绘制原理图并生成网络列表。2、画出非标准的自定义元器件封装库。3、设置PCB设计环境绘制印刷电路的板框等。4、布置元器件封装的位置，并进行布线规则设置。5、最后进行自动布线和手动调整。3.1 Protel电路图图3-1 多功能充电器电路图3.2 PCB板图图3-2 多功能充电器PCB图4 硬件电路制作与调试4.1 电路制作元器件选择：运放IC1可选任何型

22、号双运放，如LM358、TL082等；IC2为三端稳压器7805（必要时加散热器）。变压器选10W左右的优质变压器，次级电压为8V10V。VT1为小功率PNP管，如9012；VT2为中功率或大功率PNP管，如CD511等，最好是塑封，便于安装，当然用一只达林顿管代替VT1、VT2更好。K为12V小型继电器，如4098。AN1AN3为小型轻触按钮，其余元件无特殊要求。制作过程1、制版利用protel软件，绘制线路板，布线。2、焊接制板完成后，焊接上所有的元器件及部分连接线。1）操作前检查 （1）把电烙铁插头插入规定的插座上，检查烙铁是否发热. （2）已经氧化凹凸不平的或带钩的烙铁头应更新的:可以

23、保证良好的热传导效果；保证被焊接物的品质。如果换上新的烙铁嘴，受热后应将保养漆擦掉，立即加上锡保养。烙铁的清洗要在焊锡作业前实施，如果5分钟以上不使用烙铁，需关闭电源。海绵要清洗干净不干净的海绵中含有金属颗粒，或含硫的海绵都会损坏烙铁头。 （3）检查吸锡海绵是否有水和清洁，若没水，加入适量的水（适量是指把海绵按到常态的一半厚时有水渗出，具体操作为：湿度要求海绵全部湿润后，握在手掌心，五指自然合拢即可），海绵要清洗干净，不干净的海绵中含有金属颗粒，或含硫的海绵都会损坏烙铁头。 （4）人体与烙铁是否可靠接地，人体是否佩带静电环。 2）操作注意事项（1）电烙铁不要选功率太大的。（2）仔细清理焊锡,不

24、要短路、虚焊、漏焊并用镊子轻微修正引脚之间距离,保持平均。（3）焊接时一定要对准原来的位置不要偏。（4）焊接完成后观察焊点状况是否良好，要用万用表检测焊接是否有效。3、组装将制作好的电路板与元器件焊接、组装、连接。4.2 电路调试1）实验电路板做成电源电路、放电电路、充电电路，根据工程上的可操作性布置芯片、元件、导线等。在焊接过程中，由于经验不足多次发生虚焊或者相邻焊点接触导致短路等事故，也有被电烙铁烫伤的事发生。制作的第一块板时一开始测试时不能工作，又由于没有稳压电源而不能检验。把3节干电池制成4.5伏电压源，又用万用表逐点排查，原来有虚焊的点。找出原因后并排斥故障后，电路板正常工作。2）电

25、源电路调试：输入供电电源，测试变压、整流、滤波、稳压输出的波形，电源输出稳定，符合设计参数。3）放电电路调试：以稳压电源代替充电电池并调至2V（每节电池放电终止电压约为1V）。调节RP3使IC1-b刚好输出低电平，此时K应由吸合转为释放。4）充电电路调试：用数字表监测IC1-a“-”端电压，调RP1使其为3.2V即可（每节电池充满时电压约1.6V）。由于使用情况不同，不同电池充满时电压也不尽相同，最好以标准充电电流充14小时，在充满前测一下电池电压，以此电压作为充满时的转折电压比较准确。调节RP2可改变充电电流大小。电阻R5决定了最大充电电流，一般可按公式R5=（3.2-1.2）/Imax取值

26、，其中3.2V为2只LED的压降，1.2V为两管b、e结压降，按电路图取值，最大充电电流约500mA。5）完成多功能充电器的联调，注意各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。总 结 随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有

27、点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 毕业设计期间，我收获了很多，经历了一段有笑有累的光阴，在此要感谢我的指导老师，是因为您的悉心指导和帮助让我不断成长。本次设计，从分析开始，再进行设计，最后的设计完成，每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去。在设计过程中，我通过查阅相关资料，与同学交流经验，向老师请教等方式，让自己学到了不少知识，培养了我独立工作的能力和动手能力，相信会对我以后的学习和工作有非常重要的影响。总之虽然这次的毕业设计结束了，但我学到了很多，我知道这只是一个开始而已。我要对自己有更高的

28、要求，才能作为动力不断的取得更好的成绩。毕业设计让我领悟了很多，原来那种浮躁的心态没有了，取而代之的是脚踏实地的努力工作学习。当我摆正自己的心态，以积极乐观向上的心态投入到设计当中，突然觉得心中又多了一份人生的感悟。谢 辞在做毕业设计过程中老师对我十分的关心，在我有疑问时总是耐心的给我讲解，让我从开始的对毕业设计模模糊糊到思路的逐渐清晰，从对原理的一知半解到把原理完全搞懂。在这期间老师给了我很大的支持，给了我很大的帮助，正是老师的支持和帮助我的毕业设计才得以顺利的完成。在这里我对老师表示衷心的感谢。祝老师在以后的生活和工作过程中一帆风顺万事如意。参考文献1 萧宝瑾.protel 99 SE操作

29、指导与电路设计实例.太原理工大学.2004.2 黄智伟.印制电路板（PCB）设计技术与实践.电子工业出版社.2009.3 黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析.电子工业出版社.2011.4 周良权,方向桥.数字电子技术基础.高等教育出版社.2008.5 成立.数字电子技术.机械工业出版社.2011.6 陈振源.电子技术基础.高等教育出版社.2011.7 周志敏，周继海，纪爱华.充电器电路设计与应用.人民邮电出版社.2005.8 刘训非，翟红.电子EDA技术(Multisim) .北京大学出版社.2011.9 池保勇.模拟集成电路与系统.清华大学出版社.2009.10 （美国）PaulR.Gray，（美国）PaulJ.Hurst，（美国）StephenH.Lewis.模拟集成电路的分析与设计.高等教育出版社.200517