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【英飞凌DIY】作品提交超级电容组充电器

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turf456
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本网技工
  • 2017-12-4 22:07:21
【方案介绍】
  本次设计的方案为超级电容组充电器,体积小巧,使用简单。框图如下:





【应用领域】
    2串-5串的超级电容组快速充电

【规格参数】
输入电压:220VAC;
输出电压:5-12V/5A;

【设计方案】
初级IC:NCP1203P60
辅助IC:LNK623,LM324
初级MOS:IPA60R600P7S
次级二极管:MBR20100
变压器:PQ2620+EE13

————————————————
现在作品已提交,以下制作过程根据回忆整理
turf456
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本网技工
  • 2017-12-4 23:20:46
  • 倒数8
 
设计思路:我们知道超级电容一般是不能直接接在普通恒压电源上充电的。这就相当于电压源并联,理论上是不允许的,实际可能会引起电源过载保护。
电池充电也是一样的道理,但充电器可以控制充电的电流。最简单的电池充电器只有恒流限压功能。而复杂的充电器则有多种充电模式,有助于延长电池寿命等。
这里超级电容只需恒流限压功能即可,无需复杂的多段充电。既然原理相通,但为什么不用电池充电器来充超级电容呢?最大的区别就是电容可能从0V起充,而电池的电压在一定范围内(例如12V铅蓄电池在大概11~14V之间)。以一般的铅蓄电池充电器为例,用于充电管理的辅助电源从同一个变压器中取电,因为匝数比等于电压比。一旦输出0V的时候,辅助电源也是0V,充电器是无法正常工作的。那么做超级电容充电器,首先要制作独立的辅助电源。
辅助电源有两路输出,一路给次级的反馈与指示电路供电,一路给初级的电源管理芯片供电,因为对功率和精度的要求较低,所以理想的方案是使用原端反馈,集成MOS的芯片,然而英飞凌并没有这样的方案。英飞凌的方案是光耦反馈,芯片封装也很大。
所以这里用了PI的LNK623芯片。使用EE13磁芯足够了。变压器的制作过程就不说了,因为功率极小,按实际功率做的话,气隙根本没法加工。所以气隙磨的有点大,电感量在1.7mH左右。
屏蔽绕组 4→悬空 0.18mm漆包线均匀绕满一层
N1 1→2 0.18mm漆包线绕140T
N2 4→3 0.18mm漆包线双线均匀并绕13T
N3 直接引出 0.2mm三层绝缘线绕16T




 绕屏蔽绕组:







绕初级绕组弄得比较乱,最后差点没装上磁芯:





辅助绕组的照片没拍,这是绕次级绕组:





装磁芯,焊引脚:





电路图参考官方例程设计。初级辅助电源输出约12V(VCC_P),次级辅助电源输出约15V(VCC_S)。


其中C6通过芯片内部的电流源充电,为芯片供电。R1,R2,R3,D1,C1组成RCD吸收电路,吸收漏感尖峰。R6,R7组成分压电路,用于反馈电压。R4用于给芯片供电,不用也是可以的,能降低芯片自身损耗。




turf456
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本网技工
  • 2017-12-4 23:57:27
  • 倒数7
 
之后则是主电源的设计,设计峰值功率为60W,因此使用反激拓扑,先在英飞凌的芯片里找方案,最初选定的是ICE2QS03。然而研究了两天,发现貌似不能用在输出电压可变的模式中,就算给它接上辅助电源也不工作,也没办法把ZC功能屏蔽掉。不得不放弃了。只能去其他品牌里选择一个简单一些的了,因为之前的经验,选择ON的NCP1203P60。频率为60KHz,功能简单的多,扩展性或许能更好一些。
主电源初级部分如下图所示:
MOS管为英飞凌的IPA60R600P7S,最终的效果发热非常低。C8,R8,D7组成RCD吸收电路,R18为电流采样电阻,Vcs1VD6用于防止芯片闩锁。U5为反馈光耦。






主电源输出部分比较简单,整体上只有整流二极管和滤波电容。二极管D5选择MBR20100。可惜实际发热还是有点多。输出滤波电容C9只有1000uF,假如作为普通60W电源来说是远远不够的,亲测不但效果差而且发热严重。但是用作超级电容充电器,因为负载为容性器件,大部分纹波可以被负载吸收,所以这里无需太大容量。太大的容量会让电容接通瞬间触点打火,而且手动调节电压也变得迟钝。C11和R11组成二极管的吸收电路.图中其余元件的功能在后面介绍。



turf456
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本网技工
  • 2017-12-5 01:19:44
  • 倒数6
 
接下来就是比较乱的控制部分。控制部分需要实现以下功能:
1,提供多个基准源(电压基准,电流基准,充电指示基准)。
2,电压采样与反馈。
3,电流采样与反馈。
4,充电指示功能,规定电流<0.5A代表充满,灯的颜色变化。
5,光耦驱动
——————分割线————————
1,基准源使用经典的TL431,提供2.5V的基准用于电压反馈。
电流采样使用小阻值的采样电阻,如果电流基准电压太高,采样电阻的功耗就大了,如果基准电压太低,虽然功耗低了,但精度就难控制了,为了分压方便,选择0.25V。
充电指示基准为额定电流的十分之一,就是0.025V。
确定下来这几个值,就很容易选择分压电阻了。基准源电路如下图所示:





2,电压采样,因为输出电压不是固定值,需要一个电位器,从5V调节到不低于12V(考虑误差)。经过不断的尝试,选择10K的电位器。和3.3K的分压电阻。完全达到要求。采样电压经过补偿后,驱动光耦。





3,电流采样,通过基准电压0.25V和输出电流5A,算出采样电阻为0.05欧,使用两个0.1欧电阻并联,最初买来的普通0.1欧电阻样品,用台表测量发现精度非常糟糕,没办法只能换比较贵的品牌,就是下图中的这种,引脚非常粗。采样电压经过补偿后,驱动光耦。












4,充电指示功能,这个就比较简单了,本质就是比较器而已。比较采样和基准,翻转电平就行了。输出使用双色LED


5,光耦驱动
光耦驱动部分如下图所示,一共有4个二极管,D9与D10分别接入电压反馈与电流反馈,形成“线或”逻辑,形成先恒流后恒压的充电机制。
D12的作用是防止辅助电源失效的保护措施。曾经一次在调试时,辅助电源没有工作,结果输出失控,导致电容爆炸。因此有了D12,辅助电源失效的时候主输出电源可以为光耦提供工作电流,虽然充电功能失效,但输出至少不会失控。D13用于防止倒灌。


turf456
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本网技工
  • 2017-12-5 23:20:47
  • 倒数5
 
主变压器设计(准备仓促,难免有设计错误,敬请谅解):
MOS管耐压600V,留约30%余量,剩余420V。Vin_max=350Vdc。反射电压Vor≈70V
匝比Np:Ns=70:(12+Vf)=5.6:1。可取整得6:1。
最低输入时275×Ton=13×6×Tr。Ton:Tr=0.28。已知f=60KHz,Ton=3.65us。
Np=(275×3.65)/Bm×Ae。其中Bm取不大于0.25T,PQ2620磁芯的Ae=110。
求得Np>36.5。则Ns=6。PQ2620骨架的绕线空间为9mm,则密绕满6匝的线径为1.5mm。貌似没有这么粗外径的三层线。常见最粗的是1mm规格,外径1.2mm。能绕7匝。那就用这个,则Np=42匝左右。
输入平均电流Iav=Pin/275≈0.27A。输入峰值电流Ip=2×Iav/Dmax≈2.5A
电感量L=(275×3.65)²/(2.5×16.67×60)≈403uH。
初级电流有效值Irms_p=(Ip/√3)×√D=0.68A。
次级电流有效值Irms_s=6×(Ip/√3)×√(1-D)=7.66A。
初级选择0.35的漆包线,电流密度7A/mm²。次级选择1mm三层绝缘线。电流密度明显较大,而且线径超过趋肤深度。但实际上因为导线总长度很短,并不存在太大问题,而且制作方便。
变压器采用夹心绕法,由内向外依次为初级1,屏蔽,次级,屏蔽,初级2。示意图:







所需材料





制作屏蔽铜箔






初级绕组1


屏蔽1


次级绕组


初级绕组2,屏蔽2没留照片


磨磁芯,引脚上锡,组装完成

turf456
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本网技工
  • 2017-12-5 23:30:10
  • 倒数4
 
EMC等其他部分设计



RT1为NTC热敏电阻,缓冲通电瞬间电流,RV1为压敏电阻。CX选择0.33uF的X2电容。R20和R30用于给电容放电,L1为20mH的共模电感。整流桥选用额定3A的。C7使用4.7nF的Y2电容。因为身边没有EMC测试条件,只能选择一些常用器件完成设计。
turf456
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本网技工
  • 2017-12-5 23:50:44
  • 倒数3
 
基本的电路设计已经完成,下一步就是考虑画线路板。主要考虑的问题有,初次级之间的绝缘强度,初级电路的耐压距离,次级大电流线路等。并尽可能缩小板面积。这次打算画单层板。最终用了三根同规格跳线。最终效果如下所示:
层丝印和层丝印




底层走线



调试时,先焊接输入部分和辅助电源部分,辅助电源好用之后再继续。下图是只有辅助电源的部分。




通电测试,两路输出都正常,然后开始焊接主电源部分。下图上面的是英飞凌的IPA60R600P7S,下面的是MBR20100.




最终完成的效果





turf456
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本网技工
  • 2017-12-6 00:47:28
  • 倒数2
 
典型测试:
测试负载为总容量10F的5串联超级电容组。0V起充,充电终止电压为12V。充电曲线如下图所示。橙色为电压曲线,5V/DIV。蓝色为电流曲线(使用霍尔传感器采集),约2.7A/DIV。横坐标5s/DIV。




其他方面
1,两部分电源启动顺序的问题。
通过之前的介绍,了解到了辅助电源的重要性。但是不同的电源芯片工作机制不同,系统上电的时候,谁先谁后就是个关键的问题了。假设主电源先上电,辅助电源还没准备好,那么输出就有失控的危险。
两个芯片的上电机制的共同点就是需要通过内部的恒流源为滤波电容充电,达到阈值开始工作。原理图中的C5,作为两个电源芯片共用的滤波电容,还有R4的取值。决定了二者的启动时间。通过不断尝试。最终让辅助电源在主电源之前可靠启动。
2,为了满足耐压要求,两个变压器的次级都是三层线直接引出,没有绕到引脚上。然而这么弄非常难加工,还经常把顺序搞错。


3,不足之处:
环路设计方面欠缺。输出整流二极管的发热较大,影响效率。电流的负载调整率较差。变压器没有套管,可能会有耐压问题。


—————————————END———————————————


simeiqingnian
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助理工程师
最新回复
  • 2023-12-6 14:47:19
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楼主好!有此项目相关的资料可以分享一下吗,非常感谢!

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