[OurDev开源充电器][任务1] 1.智能充电器原理图 + PCB V2.1 发布 （最后更新：08年05月2

lvhaian

最近比较忙，一张PCB画了两个礼拜才陆陆续续才完成，还没有检查。明后天就可以定稿发板子了。上次申请第二版板子的人即将可以拿到板子了。

当前版本：

智能充电器: 原理图_V2.0.SCH  ( 使用 Protel99SE )  发布日期: 2008 年 04 月 14 日 01 时 10 分
             PCB_V2.0.PCB     ( 使用 Protel99SE )  发布日期: 2008 年 04 月 14 日 01 时 10 分     
点击下载: ChargerV2.rar(文件大小:553K) (原文件名:ChargerV2.rar)
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备注说明: 第二版确认过了的版本。
智能充电器: 原理图_V2.1.SCH  ( 使用 Protel99SE )  发布日期: 2008 年 05 月 28 日 15 时 10 分
             PCB_V2.1.PCB     ( 使用 Protel99SE )  发布日期: 2008 年 05 月 28 日 15 时 10 分   
点击下载： ourdev_295494.rar(文件大小:503K) (原文件名:ChargerV2.rar)

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此原理图为智能充电器的最基本功能的第一个版本，不考虑精度，不考虑扩展的功能。

此版本很多地方还不完善,电路需要改进,希望大家共同完成.

版本作者来源于：GRANT, 阿力，安哥，这个版本以后版本有所有参与充电器项目的人来完善。

备注1：热敏电阻册温度模块中热敏电阻放置在电池固定支架封装下面。
备注2：放电电阻将默认焊接一个，另外一个放端子，按照实际大家所测量的电池调整外接电阻
备注3：这个电路中的 -5V 运放电压源由 MAX232 芯片产生，这里给没有使用过的人提示一下。
备注4：此充电器可充电的电池电压范围在 1V ~ 10V ，充电电流和放电电流最大 2A。
备注5：可使用5V电源或者高于9V低于24V的DC电源供电，但是5V供电的电路还不成熟，需要改进。
备注6：此版本有两个方案，方案1：两张原理图，MCU 模块 和 充电器 模块分别为两块板子。
                         方案2：一张原理图，所有功能在一块板子上面，所有引脚引出。（目前 V0.1 还没有将引脚引出，V0.2再改进）

------- 我代表 GRANT 发表此贴


------- 2007 年 11 月 28 日 21 时 50 分

历史版本：
智能充电器: 原理图_V0.2.SCH  ( 使用 Protel99SE )  发布日期: 2007 年 12 月 04 日 23 时 30 分
点击下载: 原理图_V0.2.SCH(文件大小:50K)

update：
1、修正Key部分参考电压错误；
2、修正部分网络标号多出“1”的错误；
3、充电回路的MOSFET确定同时支持SO8与TO220封装，且MOSFET使用推挽方式驱动；


历史版本：

智能充电器: 原理图_V0.1.SCH  ( 使用 Protel99SE )  发布日期: 2007 年 11 月 28 日 21 时 50 分
点击下载: 原理图_V0.1.SCH(文件大小:46K)
备注说明: 初识版本,所有功能等待大家完善.


update：
1、按11楼更新LCD标示错误。增加3904全称、接插件网络标示多出“1”，串口接插件改为RS232；
2、MTP60N25 驱动电路有问题，将换为IO口直接驱动 MTP60N06 做放电电路；
3、充电回路 P-MOS 不理想，在5V系统中存在问题，将改为推挽输出驱动 IR 公司的低压驱动的 P-MOS；
4、修改 Mega16 的原理图库。


PDF格式 ，版本0.1，由Chengjia535转换。

此版本为最开始的版本，与上面更新的版本不同，下载时请主要：
点击下载:点击此处打开ourdev_183547.pdf(文件大小:60K)
点击下载:点击此处打开ourdev_183546.pdf(文件大小:56K)
点击下载:点击此处打开ourdev_183550.pdf(文件大小:13K)



补充内容  

本电路涉及到的部分元件数据手册：
1、1N5822
点击此处打开ourdev_183537.pdf(文件大小:46K)

2、2N3904
点击此处打开ourdev_183538.pdf(文件大小:51K)

3、MPZ2012S221A
点击此处打开ourdev_183539.pdf(文件大小:69K)
TDK 磁珠

4、MTD5N25E
点击此处打开ourdev_183540.pdf(文件大小:253K)

5、PESD12VS2UAT
点击此处打开ourdev_183541.pdf(文件大小:122K)
NXP ESD保护

6、SA28A
点击此处打开ourdev_183542.pdf(文件大小:85K)

7、TL062
点击此处打开ourdev_183543.pdf(文件大小:112K)

8、TL431
点击此处打开ourdev_183544.pdf(文件大小:87K)

9、TPC8103
点击此处打开ourdev_183545.pdf(文件大小:318K)
TOSHIBA P沟道MOSFET

lvhaian

【21楼】 mowin

先谢谢，我看看

lvhaian

我个人觉得 使用 ADC 采集按键不是好的选择，不利于扩展。 可能今后会改进成 SPI 的方式扩展。

lvhaian

【32楼】 zhangna_901887 ：

看了这个片子，你选的这个片子不错。

不过为了通用性强，片子好采购，我们可能会选择更加廉价且通用的片子，如33063。

Buck电路的试验可以去作，等你的好消息。

lvhaian

忘记说一下，之前大家所说的六个按键用AD采样的方式作最下面的灵敏度不高的问题是不存在的。

由于想换按键扩展方式，因此没有去计算按键处的阻值。现在这个电路可以通过阻值的重新调整，可以让采样电压范围均匀的。

lvhaian

恩，1.4元，价格确实比较便宜。可以考虑，只是我不知道这片公司的厂家所以才觉得不通用，呵呵。

不好意思，是我见识不够拉。

我再看看资料，可以将 PT102 列入替换方案之一。

lvhaian

【29楼】 guaizima ：

对于你的问题，我已在你的帖子中回了建议方法。

lvhaian

【35楼】 zhangna_901887 ：

不好意思，你建议的 PT1102 不在我们的供电电压范围之内，所以就不考虑了。谢谢你的建议。

我们的系统希望在输入加输出大于30V DC 。输入范围 9 ~ 24 V DC。

lvhaian

加散热器，选阻抗小的MOS ，没有感觉有太大问题吧。

lvhaian

【55楼】 trinove 阿力

我们这个东西肯定不能成为产品，放心吧，就算变成了产品，绝对没有人要。因为不管作为哪种特定电池的充电器，它的性价比都特别差。

但是我可以这么说，我们现在最大的优点是我们支持电源范围比较广，支持种类非常多的一种充电器。因为要做这样的东西必然损失了好多好多性能上面的东西啦。我算过一些计算说明书中的参数，基本都能在范围之类，但是性能都是很差的，呵呵。

因此不要太多考虑这方面的问题，正如以前一些高人说的一样，目标是好的，支持种类非常多，性能每一种都好的充电器可以这么说，在目前这点成本，基本不可能的。我觉得最起码需要成本200元以上才可能做到，就是每一种电池的充电器电路单独存在，只是并在一块板子上面的设计才能做到。


不过我可以这么说，我们的电路绝对原创，在目前市场上不可能找到一款设计和我们相似的。

lvhaian

【57楼】 trinove 阿力

真不好意思，好像是我前面言重了，估计你误解我意思了。感觉你是针对我说了上面那么一大段，赶快道歉。

其实我也希望做一个性能好的，对我而言，做个成本 1000 元的充电器我也无所谓的。关键是学习这个过程而已。

如果我选择你列出的目标，我肯定选择第一项，我相信我们这里大多数人都会选择这一项的。


Grant可能很大程度考虑到一些经费问题和难度问题定下了那个目标。既然他定了，对于现在来说我必然会去按照他定下的目标去做。

我觉得有的时候也未必是不好的，比如先做第一版，性能未必很好，但让这里所有人都明白各种充电器的原理，等大家都了解后之后做一款性能非常好的，把我们现在这款最简单的功能中的不好的地方而进一步改进电路。这样把能把开发成本降的更低。毕竟目前在这里参与这个项目的人_大多数是对充电器经验不足的。就像我，和你有很大的差距，所以我就利用最初的一版弥补一下自己不足的地方啊。

你说对吗？

lvhaian

有一点疑问想说一下，电感升温会到烫手的问题。

我怎么感觉没有道理啊，比如我们一个LM2596 上面的电感，输入24V，输出5V，buck电路，在输出3A 电流的时候，开关频率好像是50K还是150K，有点忘记了。在这个情况下面我测得的电感也不过 50 度不到啊。

因此我认为只要电感量选择合理，电流余量够大，因为没有什么很大的温升问题啊，因该不会超过50度的阿。
在发布的原理图中我按照公式计算下来 Lmin 为30uH ，Ipk = 2Iout(max) = 4A 因此我选择了 100uH / 5A 。

这方面请熟悉的人讲解一下为什么电感会出现非常高的温度，请教一下大家拉。

lvhaian

To : 【77楼】 guaizima

     我语文表达能力不好，怕解释不好再次引来争议。所以上传一份 ppt ，你自己看吧。


     buck 和 boost 原理.ppt  （使用 微软 powerpoint 打开）
     点击下载: 点击此处下载ourdev_184394.rar(文件大小:1.15M)

lvhaian

恩，谢谢指导。

有些理解了，不过我感觉都是在说的都是自己绕制一个电感需要作的。呵呵
不过我认为线径问题我觉得和最大电流是一码事。

是不是我们直接选择一个品牌的电感，给定电感量和电流值应该不用过多考虑温升了呢。我一般选用 TDK 的电感，好像没有因为这个东西过多考虑过。

不过你说的适应频率倒是可以研究研究。我先补习一下先拉，呵呵。

lvhaian

To 【81楼】 bill  :

   可能你没有参与我们的讨论， Q2 ，R1 , R3 的问题发布第一天我们已经改进了。
   已在 updata 中写上了更新的地方。

   【82楼】 bill ：
   
    我们可以重新仔细考虑 -5V 电压的问题，谢谢你的建议。
   
    不过我还是很想听听你关于此电路不合理的理由。
    我没有办法证明我们的电路肯定是正确的，但是我想证明一个电路是错误的应该不难啊。



    “如果使用此电路,注定要失败”
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     谢谢你的提醒，不过能不能说一下你的理解和理由，我也想学习一下此电路的缺点。
     你说的理由只要合理我们马上改电路，负电源改用 MAX765 的开关电源或者 ME7660 作产生负电源的产生源。

lvhaian

To : 【87楼】 zhangna_901887

Max232 生成的-5V 作运放负摆的电路是我常用的电路，不过 【84楼】 bill 提出质疑我必然接受。

可是等待 bill 给出合理理由，如果没有给出理由的话我们就不改了。

注：+/- 摆幅电压不相等我个人认为没有问题，在我现在的电路中一直使用着。如有质疑，请给具体理由。

lvhaian

看大家一直在 MOS 的问题我有一些分歧。

我觉得这个要么我来给出意见吧。参考了 shark 在MOS选型一贴的意见。


充电回路中使用双 P-MOS，即两片TPC8103同时工作，采用双管推挽输出来驱动。

理由：
1: 使用 5V 以下可以开通的管子，便于兼容 24V 以下电源。选择开通电压为 -4V，这样 24V 分压后也不会有问题。

2: 功耗计算：MAX: 23m欧 @ Vgs = -4V    (见 TPC8103 DATASHEET 第二页的表格 和 第三页的最后一张图)
             MAX: 13m欧 @ Vgs = -10V   (见 TPC8103 DATASHEET 第二页的表格 和 第三页的最后一张图)
             因此推断 < 13m欧 @ Vgs = -20V

             Ipk(max) = 2Iout(max) = 2 * 2A = 4A
            
             Pmax = Imax * Imax * Rmax = 4A * 4A * 0.023 = 0.368 W

             两颗 TPC8103 上面每颗的 P-MOS 上面的功耗为 Ptpc8103 = P/2 = 0.368 W / 2 = 0.184 W
              
             此时的 TPC8103 上面的温度应该小于 50 度。


有疑问的请给出理由。

lvhaian

OK!

不过我觉得否定 TPC8103 没有问题，但是到现在为止，我还没有给出我一个合适的理由。我算出来的功耗确实很低。可能算错了，希望大家能帮我一起算一下，告诉我一下我什么地方算错了。

1：我们输入范围可以改至最高 24 V。

2: 前面我确实计算错了，只计算了导通功耗，而且还算错了，现在重新来过。

   附上我的计算依据：
   点击下载：点击此处打开ourdev_184754.pdf(文件大小:711K)


功耗计算：     MAX: 23m欧 @ Vgs = -4V    (见 TPC8103 DATASHEET 第二页的表格 和 第三页的最后一张图)
               MAX: 13m欧 @ Vgs = -10V   (见 TPC8103 DATASHEET 第二页的表格 和 第三页的最后一张图)
               因此推断 < 13m欧 @ Vgs = -20V

               Ipk(max) = 2Iout(max) = 2 * 2A = 4A

               I = Ipk * 开方( 占空比 / 3) = 4 * 0.4 = 1.6A
           
               导通功耗： Pmax = Imax * Imax * Rmax= 1.6A * 1.6A * 0.023 = 0.05888 W

               两颗 TPC8103 上面每颗的 P-MOS 上面的导通功耗为 Ptpc8103 = P/2 = 0.05888 W / 2 =  0.02944 W


                开关损耗为 ： P = 1/2 * Coss * Vds * Vds * f + 1/2 * Ciss * Vgs * Vgs * f
                                = 0.5 * 1000 * 10 (-12次方) * 28 * 28 * 16000
                                    + 0.5 * 2700 * 10 (-12次方) * 10 * 10 * 16000
                                =  0.006267 W + 0.00216 W
                                = 0.008427 W

               那么每个管子功耗： 开关损耗 +  导通损耗 = 0.02944 + 0.008427 = 0.037867 W


               不知道为什么算下来功耗那么低，估计有算错的地方，请大家指正。

lvhaian

To: 【94楼】 hebj

谢谢你的建议，我对你说得  mos从off->on和on->off的time，你认为time=0 有些不解，所以想请教一下。

我确实把 time 当作 0 来算了。只是不明白 time 如果不是 0，对功耗有什么影响。 f = 31kHZ或者62KHZ功耗也我觉得就算翻倍了也不大阿。

我想请教一下你说得大头难道是 off -> on 和 on -> off 的状态的功耗。有些不解！

To：【91楼】 trinove 阿力

你说的工作温度：52度。 在什么地方看到的,麻烦指出一下。
我只在 DATASHEET 上面找到了 150 度。

我也看了 随着温度升高 PD 下降，但是升到 80 度也有 0.5W ，而我们现在算下来 0.1W 功耗还不到。


对于这个管子 SO-8 的封装不通用还是可以考虑的。但是我觉得在这一版电路中这个可以达到非常好的效果了。
如果大家觉得别的管子更加合适，我完全赞同大家替换。

不过我希望可以拿出点理论数据出来。

只要找到明显优势，（包括性价比优势，货源优势，功耗优势，效果优势）原理图立刻替换。

lvhaian

通过一个晚上的恶补，基本已经明白了其中大多数的问题。基本赞同阿力的看法。因为正如阿力所说的我忽略了放大区的损耗。

这里谢谢【94楼】 hebj 的提醒，我感觉你的提醒非常有用。


参考依据：

开关电源设计指南:原书第2版



内容提要
本书是一本介绍开关电源理论与工程设计相结合的工具书，介绍了电源在系统中的作用、电源设计流程、开关电源设计、开关电源与线性电源的比较、改善开关电源效率的整形技术。重点介绍了开关电源电路拓扑的选取、变压器和电感设计、功率驱动电路、反馈补偿参数的设计、保护电路。对减少开关电源损耗的先进技术，如同步整流技术、无损吸收电路、波形整形技术，也作了深入的介绍。另外，通过大量实例，介绍了开关电源的设计方法，还介绍了功率因数校正、印制电路设计、热设计、噪声控制和电磁干扰抑制等内容。
本书可供从事开关电源开发的工程技术人员参考使用，也可作为高等院校电力电子技术专业及相关专业高年级大学生、硕土生、博士生和教师的参考书使用。
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现在很肯定的说，前面我算错了。
正如【96楼】 shinehjx 说的那样我算了损耗中的两个小头，丢掉了大头，其实我前面算得不是开关损耗，而是附加损耗。

在一个buck电路中的损耗包括：导通损耗 ，开关损耗 ， 附加损耗 和 电阻损耗。他们会同时存在于一个同损器件中。
对于我们充电器主回路中 P - MOSFET 中的损耗同时包括了前三项：

1：导通损耗：前面我算得导通损耗没有问题，大家可以参照前面我计算的公式计算，不过Imax 可以按照 1.4 * Iout(max) 就可以了。
2：附加损耗：可以参照之前我算的“开关损耗”，当时算错了，误把附加损耗算为开关损耗了。
3：开关损耗：分为开通损耗 和 关断损耗。
             开通损耗：可以使用电压典型波形 * 电流典型波形中的面积部分
                       Pd(turn-on) = f * { V1 /2 [I1 + (I2 - I1) / 2]} * Tturn-on
                       具体图见 ： 《开关电源设计指南》第 118 页。
             关断损耗：同样和开通损耗一样可以通过面积计算。

由于我们在设计初期不能描绘出实际波形，因为我们这里的人的经验都不多，因此我们可以采用设计开关电源中的黑盒设计法：

我给出两个我们充电器中的两种特例举例子，其余的大家可以自己推算：

（1） 5V 输入 充 1.25 V 电池
设计指标：
    设计输入电压范围：     DC 5V
    输出电压:              DC 1.25V
    额定输出点流:          2A
    雯波:                  +/- 10mV
    最大工作温度:          + 40 摄氏度

"黑箱"预估值:
    输出功率:              1.25V * 2A = 2.5 W
    输入功率:              Pout / 估计效率 = 2.5W / 80% = 3.125 W
    buck 功率开关损耗:     (3.125W - 2.5W) * 42% = 0.2625 W
    buck 输出整流器损耗:   (3.125W - 2.5W) * 48% = 0.3 W
    buck 磁性元件损耗:     (3.125W - 2.5W) * 5% = 0.03125 W
    buck 其他损耗:         (3.125W - 2.5W) * 5% = 0.03125 W


那么通过上面我们可以估算出 P-Mosfet 上面的功耗大约为 0.2625 W.
目前电路基本合理.


（1） 24V 输入 充 10 V 电池
设计指标：
    设计输入电压范围：     DC 24V
    输出电压:              DC 10V
    额定输出点流:          2A
    雯波:                  +/- 50mV
    最大工作温度:          + 40 摄氏度

"黑箱"预估值:
    输出功率:              10V * 2A = 20 W
    输入功率:              Pout / 估计效率 = 20W / 80% = 25 W
    buck 功率开关损耗:     (25W - 20W) * 42% = 2.1 W
    buck 输出整流器损耗:   (25W - 20W) * 48% = 2.4 W
    buck 磁性元件损耗:     (25W - 20W) * 5% = 0.25 W
    buck 其他损耗:         (25W - 20W) * 5% = 0.25 W


那么通过上面我们可以估算出 P-Mosfet 上面的功耗大约为 2.1 W.  
此时一颗 SO-8 的P-MOS 不合理.
此时的二极管 1N5822 不合理.
此时电感发热需要考虑.

lvhaian

To:【103楼】 trinove 阿力

赞同你的意见，这个值确实是一个估算级，这个结果只能告诉我们一个量级问题。

但是我们可以做一个假设，假如我们效率可以做到 80% 以上，那么这个估算我认为应该可信的。

假如我们的效率只能做到 70% 出头一点的话，那么这个估算确实会相差一个量级。

我一个做了N多年开关电源的的朋友告诉我 MOSFET 上面的损耗一般只占总体损耗的 30% 以下。因此我按照书上提供的 42 % 应该还是有一点余量的。



最起码通过这个计算下来我可以确定前几帖算得损耗在0.07W 绝对有问题，呵呵！

lvhaian

恩，可以，但是 TO220 的封装使用哪一颗 MosFet 呢。哪颗型号的？ 大家定一下吧。

定完 mos ，进行计算， 计算完可以进行下一步工作了。

到现在为止我也不知道哪些人那时候跟帖参与原理图设计，请大家认领一下计算说明书中的一些选项分工论证吧。

对了，PCB 的工作有人认领吗？PCB 可以进行初期规划起来了。

lvhaian

智能充电器: 原理图_V0.2.SCH  ( 使用 Protel99SE )  发布日期: 2007 年 12 月 04 日 21 时 59 分
点击下载: 点击此处下载ourdev_185336.rar(文件大小:50K)
备注说明: 仅仅是改了管子，Mega16 原理图封装不知道怎么改，所以会改封装的人帮忙改一下16脚。别的错误让大家一起看吧，我没有检查。

lvhaian

检查一处错误，按键处电源不合理，可以将按键的上拉电源改为 Vref ，不然超过 ADC 采样范围。

lvhaian

你们先讨论吧，推挽我没有看出太大问题。

24V输入是有问题的。

等 Grant,阿力去定夺吧

lvhaian

发布了第二版初稿，明天检查完发板子了。

上次声请过板子的人将即将拿到板子。

lvhaian

麻烦大家检查一下，我这几天一直出差在外 没有办法时间检查。

lvhaian

【161楼】 xusp  
原理图基本没有错误了
PCB我还在检查中

lvhaian

检查完了
更新至V2.1