| | | | | 充电器以正激变换器为主变换电路,采用单片机STC12C5604AD控制不同阶段的充电电流和电压。单片机对充电电压与电流进行实时采集,通过内部运算,实现铅酸蓄电池充电过程的智能化控制,利用数码管实时显示充电电流与电压,并设计了电池过充、防反接等保护电路。 |
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| | | | | 根据设计的要求,系统采用基本框架流程为:由市电送来的220V交流电经整流、滤波后,经脉冲变压器降压送给蓄电池进行充电。单片机对系统信号进行采样和控制,将充电的电压和电流信号反馈回PWM信号发生器,由PWM信号发生器控制开关管通断的占空比完成充电的。当蓄电池的电压达到额定值后,说明蓄电池已经充满电。控制开关,进入浮充,浮充一段时间后,断开电源,停止充电。 |
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| | | | | 充电电源框架选择
(1)方案一 普通电源:市电经过电源变压器将高压交流电转化成低压交流电,再通过整流滤波,将220V左右的交流电转化为用电器适合的直流电,滤除整流输出的剩余交流成分,最后输出稳定的直流电压。它具有输出电压稳定、波纹震荡小等优点,但是电压可供选择的范围窄,效率低等缺点。(2)方案二 开关电源:所谓开关电源,顾名思义,就是这里有一扇门,一开门电源就通过,一关门电源就停止通过。开关电源里有的采用可控硅,有的采用开关管,这两个元器件性能差不多,都是靠基极、(开关管)控制极(可控硅)上加上脉冲信号来完成导通和截止的。市电进入电源,首先要经过扼流圈和大电容,滤除高频杂波和同相干扰信号。然后再经过电感线圈和电容,进一步滤除高频杂波。接下来再经过由4个二极管组成的全桥电路整流(也有半桥等其他电路),和大容量的滤波电容滤波后,电流才由高压交流电转换为高压直流电。经过了交直转换后,电流就进入了整个电源最核心的部分:开关电路。开关电路便将直流电转换为高频率的脉动直流电。接下来,再送到高频开关变压器上进行降压。经过高频开关变压器降压后的脉动电压,同样要使用二极管和滤波电容进行整流和滤波,此外还会有1、2个电感线圈与滤波电容一起滤除高频交流成分。最后成为设备所需要的较为纯净的低压直流电。它是近代普遍推广的稳压电源,具有电压可调范围宽、效率高,输出电压相对稳定等特点。 所以,该设计选用方案二,开关电源。 |
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| | | | | 充电方法
目前国内外铅酸蓄电池的充电方法主要有恒流、恒压、恒压限流充电法。
(1)方案一 恒流充电法:恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法,保持充电电流强度不变的充电方法,如图2-1所示。控制方法简单,但随着充电的进行,电压会慢慢上升,到充电后期电压上升到一阀值时,如果不对充电电压进行限制,容易使电池处于过充电状态,导致电池有大量的水发生分解以及活性物质容易脱落,短电池使用寿命。
(2)方案二 恒压充电法:充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值,随着蓄电池端电压的逐渐升高,电流逐渐减少。与恒流充电法相比,其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电,如图2-2所示。由于充电初期蓄电池电动势较低,充电电流很大,随着充电的进行,电流将逐渐减少,因此,只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少,避免了蓄电池过充。但由于电压恒定,在充电初期电池电动势小,所以充电电流过大,对蓄电池寿命造成很大影响,且容易使蓄电池极板弯曲,造成电池报废。并且设备必须适应充电初期的大电流,充电末期电流过小,使充电时间延长,且容易充电不足。鉴于这种缺点,恒压充电很少使用,只有在充电电源电压低而电流大时采用。 (3)方案三 恒压限流充电法:恒压限流充电法则避免了以上两种充电方法的不足,充电初期为避免电流过大,采用限流充电,后期为避免电压过大而采用恒压充电。因此恒压限流充电是一种比较有效的充电方式,再加上采用智能化的过充判断、浮充控制、 温度补偿等措施,便形成一个简单而有效的充电管理系统。所以蓄电池可以在这个系统下更好地工作,延长其使用寿命。因此恒压限流充电法是目前大多数电池厂商推荐的充电方式。但仍存在很多不足与缺点。
(4)方案四 四阶段充电法:即激活充电、恒流充电、 恒压充电和涓流浮充电。在铅酸蓄电池的实际使用过程中,闲置的电池常常会过度放电, 如果一开始就采用较大的电流恒流充电,容易造成热失控,不利于激活电池内的化学物质,以最大优化电池的性能。所以在开始的时候采用较小的电流进行激活充电,能使极板表层充分激活而不过量脱粉,电解液也能得到充分的活化,经过激活修复后的电池更能经久耐用。根据铅酸蓄电池的充电原理,同种工艺的电池理想的充电曲线大致相似,只是具体的电压数值有所差别。针对这些特点,应用信息技术进行控制,能有效地使实际充电曲线拟合为铅酸蓄电池的最佳充电曲线,控制电池在正常温升范围之内,提高充电的效率,达到最佳充电效果。
综述,选择方案四,四阶段充电法。
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| | | | | 总体原理:
电路的总体设计是根据铅酸蓄电池的理想特性曲线制定四阶段充电法,即激活充电过程、恒流充电、恒压充电与涓流浮充。电路图如上图所示,电路首先由市电送来的220V的交流双向滤波抑制干扰进行整流滤波,得到太约300V的直流电送入给高频脉冲变压器,高频变压器的次级绕组输出电压经滤波后给蓄电池充电。在蓄电池的出口处分别的进行电压和电流的采样,采样的信号经过各种处理后,分别送进PWM信号发生器的电压和电流反馈引脚。PWM信号发生器对反馈回来的电压、电流信号进行分析,然后调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给以UC3843驱动场效应管的单管开关电源,,从而使调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间,也就是控制了高频变压器通断的时间,从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小,配合LM358两个双运放来实现阶段充电方式。 |
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| | | | | | | | | 正激式开关电源变换器在中小功率隔离降压型DC/DC电源块中有着广泛的应用。其主变压器只是作为传递能量和电压变换的作用,启动电流、输出纹波和所需要的滤波电容均较小。在开关转换过程中不存储能量,少量的剩余能量,可以通过简单的复位电路设计,就可以保证其在大动态重负载下不会磁饱和,电路工作稳定。由于其磁芯不需要开气隙,因而漏感较小,具有小的电压尖峰。另外,其峰值电流也较小,传输能量大,相同的传输功率所需要的磁芯较小,易于集成。
其原理很多参考文献都有详细说明,在此就不在赘述。 |
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| | | | | | | | | | | 各种正激变换器的优缺点
1 单端正激变换器
和非隔离开关电路拓扑相比增加了一个隔离变压器。
优点:
1 可以通过改变次级绕组和初级绕组的线圈匝数比来决定输出电压是降压还是升压,或者增大了电压的输出范围。
2 改变输出电压极性是非常方便的,只要将次级绕组线圈的两端对调,再将次级整流二极管和滤波电容的方向对调就可以。
3 输出和输入隔离,加大了电路抗干扰的能力。
缺点:
1 由于变压器漏感的存在,当Q1截止时,其两端将承受非常高的电压应力,易将开关管Q1损坏。
2 磁芯利用率不高,单位周期内只有一个功率脉冲。
3 变压器的磁芯由于一直工作于被置位状态,容易饱和。
回馈式单端正激变换器
回馈式单管正激变换器在原来基础上增加了回馈环节,实现了能量的回馈,而且为变压器提供了磁芯复位回路。但是当磁芯工作于复位状态时,开关管同样要承受很大的电压应力。
由此可以得出,单端正激变换器只能用于输出功率不是很大的情况下。
2 三路输出正激变换器
三路输出正激变换器和单端正激变换器拓扑结构相似,其优缺点也一样。
和单端正激变换器一样,三路输出正激变换器也只能用于输出功率不是很大的情况下。
3 双端正激变换器
双管正激变换器使用两个开关管,这样做有显著地优势。
1 关断时每个开关管仅承受一倍的直流输入电压电压,这样就可以使输出的功率加大。
2 关断时不会出现漏感尖峰。
由此可以得出,和单端正激变换器相比,双管正激变换器能用于相对比较大的输出功率地情况下。
4 交错正激变换器
这种拓扑只是将两个单端正激变换器交替工作(各占半个周期),其次级电流通过二极管相加。所以,在每个周期内有两个功率脉冲,每个变换器只提供总输出功率的一半。
由于在每个周期内有两个功率脉冲,交错正激变换器也可以由于相对比较的输出功率的情况下。 |
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| | | | | 充电器的工作原理
目前, 电动自行车主要以铅酸蓄电池为动力。铅酸蓄电池的主要优点是: 电池容量大、价格便宜并具有无记忆效应;但存在的缺点是: 体积大、重量重和不能过充或过放。根据铅酸蓄电池的上述特点, 铅酸蓄电池的充电过程一般分为四个阶段: 激活充电—恒流充电—恒压充电—涓流浮充电。如图2-3所示
根据充电前蓄电池残余电量的不同,每次充电的时间将有所不同。
(1)激活充电过程
铅酸蓄电池充电器开始工作后,控制器对采集铅酸蓄电池的端电压进行检测,若电池电压低于9.5V,充电器不工作,说明电池已经损坏。若电池电压高于9.5V,而低于10.5V,说明电池曾经过度放电。为避免对蓄电池充电电流过大,造成热失控,微处理器通过监测蓄电池的电压,对蓄电池实行稳定小电流激活充电。在激活充电阶段,电池电压开始上升,当电池电压上升到能接受大电流充电的阀值时则转入后人能恒流充电阶段。
四阶段充电过程曲线
(2) 恒流充电过程
大电流恒流充电,这里电流值因蓄电池容量而异,一般为0.4(C为蓄电池组的容量)。在恒流充电状态下,电池电压不停的上升,控制器不断检测电池端电压值,当电池电压达到恒压充电的阀值时,恒流充电终止并转为恒压充电。
(3)恒压充电过程
恒压充电时,通过电压负反馈调节,使充电电压保持不变,充电电流不断下降,当充电电流下降到恒流状态下的充电电流的1/10时,即0.04C时,终止恒压充电并转为涓流浮充。
(4)涓流浮充电过程
该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量,此标志着充电过程结束。 |
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| | | | | 器件清单:
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| | | | | 次级整流二极管采用快恢复特性二极管是一种无奈的选择。最好能选用肖特基二极管,但是手头没有合适的。 整流二极在电源工作时处于高频通断状态,由脉冲变压器次级线圈、整流二极管和滤波电容构成了高频开关电流环路,如果电容器滤波不足或高频特性不良,电容器上的高频阻抗会使高频电流以差模形式混在输出直流电压上成为差模骚扰,影响负载电路的正常工作。另一方面,二极管在正向导通时PN结内的电荷被积累,二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。由于二次整流回路中在开关转换时频率很高,即由导通转变为截止的时间很短。在短时问内要让存储电荷消失就产生反电流的浪涌。由于直流输出线路中的分布电容、分布电感的存在,便因浪涌引起干扰成为高频衰减振荡。这种高频衰减振荡在直流输出端形成差模干扰。这两种形式的干扰高次谐波成分丰富,频率高端可达数十上百兆赫兹,它们还可能通过内部电路的相互感应转化成输入、输出端的共模骚扰及通过空间向外传播辐射骚扰。
在二次整流回路中,整流二极管非常关键。在开关电源的整流回路中,快速恢复的肖特基二极管是一种较好的选择。本文设计的电源中采用的是STTH6002C。 |
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| | | | | 单板费用:
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| | | | | 正激变换器和其他打断变换器(反激)一样,都必须附加电路(复位电路或称为箝位电路)加以限制。复位电路的工作原则:开关管关断期间,复位电路起作用期间,变压器的激磁电感通过复位电路形成回路,变压器磁路去磁,复位电路的作用是限制变压器的激磁电感产生的感生电势在限制值内;开关管导通期间,需要复位的复位电路自身复位,为下一次的磁通复位作准备;变压器激磁电感激磁。经过一个开关周期变压器激磁电感经复位电路实现磁通复位。 |
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| | | | | | | | | | | [size=133%]v在磁场强度H为零时,磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。图a的剩余磁感应强度Br比图b小,图a一般是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯,图b一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。
[size=133%]v对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯,一般使用转移损耗法。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁感应强度Br较高的铁芯,一般使用强迫复位法。强迫复位法线路较为复杂。
[size=133%]v简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成,稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并联,磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗,它具有两种功能,既可以限制功率开关管过电压又可以消除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边的漏电感(寄生电感)存在,这个电感中也有存储的能量,因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结。这种电路只适用于小功率变换器中。 |
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| | | | | | | | | | | | | 几种磁复位方式
v第三线圈复位法
vRCD复位
v有源钳位
v双管正激 |
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| | | | | | | | | | | | | | | 第三线圈复位法特点
v优点:
v技术成熟可靠,磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。
v缺点:
v附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化;
v开关管关断时,变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制,尤其是变压器满载时;
v开关管承受的电压与输入直流电压成正比,当变压器工作在宽输入电压范围时,必须采用高压功率MOSFET,而高压功率MOSFET的导通电阻较大,从而导致导通损耗较大;
vUin=Uinmax时,占空比d=dmin很小,不易于大功率输出。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | RCD复位法特点
v优点:
§磁复位电路简单;
§功率开关电压较低;
§占空比d可大于0.5,适用于宽输入电压场合。
v缺点:
§大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此,它广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换场合。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | 有源钳位优缺点
v优点:
v变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用;
v可利用低压功率MOSFET和二极管;
vZVT-PWM工作方式;
v占空比d可大于0.5;
v变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化,铁心利用率高,铜损小
v缺点:
v多用一个钳位开关,增加了驱动电路难度和变换器成本。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 双管正激优缺点
v优 点 :
§加 于 每 个MOSFFT的最大电压仅为VDD。
§减 少 了干扰尖峰,有利于减小了应力和噪声
§可 以 有 效地避免误触发引起的短路故障。
v缺 点 :
§需 要 更 多的开关器件,增加了成本。
§电路 中 过多的器件可能降低效率,但可以通过使用低
§额定电压的MOSFET降低电阻RDS(on)来提高效率。
§占空 比 小于50%,受开关频率的限制。
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| | | | | | | 过压过流保护
对输出给充电器的电压进行检测,将检测到的电压送回单片机。通过软件检测的电压送到LM358与基准电压比较,如果检测到的电压过大就会从LM358输出端输出相应电平。通过光耦控制PWM波输出,从而关断MOSFET,以达到保护电池的目,同时通过数码管显示当前电压值。
过流保护与过压保护相似,只要将采到的电流值转换为电压值。然后通过软件检测与基准电压相比,检测到电压过大就实施保护措施。
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| | | | | 充电器软件设计
软件设计思想是:各个功能组建实现模块化编程,软件流程采用中断工作方式,目的是使应用软件流程清晰,可读性强,易于功能调试和产品的维护及升级。
本系统要求软件完成的功能有以下几个方面[sup][1][/sup]:
(1)实时数据采集功能:系统要求能够采集充电过程中电池两端的电流和电压这两个充电因子的实时数据。
(2)实时计算功能:在系统对实时数据采集完成后,要对数据进行实时处理。实时处理包括A/D采样值的滤波处理、A/D采样值转换为电流和电压的实际值的计算处理。
(3)实时控制功能:要求软件根据控制算法计算控制量,并对被控对象发出控制命令,执行D/A输出,实现实时控制PWM功能。
(4)故障处理功能:软件要能够对各种故障和紧急情况进行诊断并处理、还要有故障报警和显示功能。
(5)自动结束充电功能:软件要能够在浮充电一段时间后结束充电状态以节约电能。
按照上述要求,本系统将软件大致划分为4个主要功能模块:数据采集模块、数据处理模块、实时控制模块、显示模块。采样模块完成对电池取样电阻电流和电池的端电压,两个实时数据的采样并保存;数据处理模块主要功能是将采样到的数据转换成有实际意义的参数;实时控制模块确定控制量并执行;显示模块是将各种参数在数码管上显示出来。
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| | | | | | | 主流程图与程序
程序初始化后,首先设置A/D转换参数和通道,检测电池的端电压,将检测到的数据与理论检验值比较,判断电池应属于哪个充电阶段。对端电压低的电池,采用短时间的脉动电流充电,这样有利于激活电池内的化学反应物质,部分恢复受损的电池单元。对端电压在标称范围内的电池选择相应的充电模块、控制模块和算法,对端电压不在标称范围内的电池,将停止充电。如果检测到的电压小于9.5V,则可能电池已经损坏,不进行充电,如果电池电压大于9.5V小于10.5V,则系统进入涓流激活充电,如果检测到的电压已经在10.5V而小于14.7V,则系统直接跳过激活充电,进行恒流充电,用大电流对电池充电,使其在短时间内获得大部分能量。但同时要利用软件对充电电流加以限制,以防止电流过大损坏电池。当电池电压大于14.7V时,但电池未充满时,若仍用大电流充电会影响电池寿命,故此时转换成恒压充电,使电流逐渐减小。恒压充电未期,电池可获得绝大部分能量。当电流的值小于2A时,进入涓流充电过程,系统将用更小的电流充电直至完全充满。为了节省电能,涓流充电三小时将自动断电.
具体程序如下:
void main() //主函数
{ uint f,d,e,ji1,cun,xian;
ADC_CONTR =0XC0;
ADC_RES =0X00;
P1ASF =0X03;
P3M1=0X00;
P3M0=0XFF;
P3=0x00;
delay(5555);
while(1)
{ f=ADOutput1();
d=ADOutput2();
xian=f;
if(cun>f)
{ if((cun-f)>15)
f=f;
else
f=cun;
if((f>=70)&(f<120))
for(e=0;e<4000;e++)
{
Outputzhi(xian,d);
P3=0xec;
}
if((f>=120)&(f<140))
for(e=0;e<4000;e++)
{
Outputzhi(xian,d);
P3=0xf4;
}
void delay(uint z) //延时子函数
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--); |
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| | | | | | | | | | | 显示部分主要用74LS595驱动数码管来完成的。首先定义段码与位码。然后读入数据,用左移的方法显示出来,共有五位数码管,前三位显示电压,后两位显示电流。 |
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| | | | | | | | | | | | | 具体程序如下:
uchar code table1[]={ //显示数据编码
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f};
uchar code table2[]={0X10,0X20,0X08,0X02,0X04};
void Output(uint wei,uint duan)
{
unsigned char i,a;
a=table1[wei];
if((duan==1)|(duan==3))
a=a|0x80;
for(i=0;i<8;i++)
{
SCK11=0;
if((a&0x80)!=0) //高位先输出
SI14=1;
else
SI14=0;
SCK11=1;
a=a<<1;
}
a=table2[duan];
for(i=0;i<8;i++)
{
SCK_11=0;
if((a&0x80)!=0) //高位先输出
SI_14=0;
else
SI_14=1;
SCK_11=1;
a=a<<1;
}
RCK12=0;
RCK12=1;
} |
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| | | | | | | | | | | | | | | | | 首先对读入的数据进行转换,然后经过一段延时子程序看是否转换完,若转换完则将转换结束标志位清零,将转换好的数据送给定义好的变量,关掉A/D转换,再将数据计算变为真正电池的电压送到数码管显示。等到进行下次转换时再开启A/D。为了采到的电压电流值准确,我们设计为多次采值求平均值再输出显示的方法,这样可以消除一定的误差使得数据更精确。 |
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | 具体程序如下:
void Outputzhi(uint dianya,uint dianliu)
{
Output((dianya/100),0);
Output((dianya%100/10),1);
Output((dianya%100%10),2);
Output((dianliu/10),3);
Output((dianliu%10),4);
uint ADOutput() // 十倍实际电压值
{
uint adc,c;
ADC_CONTR =0XC8; //开始转换
delay(1);
while((ADC_CONTR&0x10)==0); //检测转换是否完成
ADC_CONTR&=~0x10; //转换结束标志位清零
c=ADC_RES; //送出数据给a
ADC_RES=0x00;
ADC_CONTR =0X80;
adc=(253*c)/186;
return adc; |
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| | | | | | | | | | | | | 好几天没弄了,这几天老是开会培训。变压器绕好了,就上图和测试波形。 |
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| | | | | | | | | | | | | | | | | 变压器终于绕好了,安装上了,整个充电板也组装完成,今测试了一下,还行。先上个变压器的图,今天没带相机,用手机照的,不是很清楚。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 各部分的,细节图片
充电夹子
散热片,一个给初级MOS散热,一个给次级二极管散热。测试时摸了摸,MOS上的散热片有一点点温度,而后面二极管上的散热片有点热,风扇吹着还好。
子板:显示板
充电器主板
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 充电器基本功能都有,且都能实现,实现了智能充电。充了半下午,还好没什么异常。明天再接着冲半天,试试。 |
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 楼主,很佩服你做的这个开关电源,就是你这个主控程序没有写,只写了简单的显示和AD转换,还有主电路和给的资料不对应啊,请问你这个电路图是怎么设计的啊,新手求教了 |
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