[讨论] “慢”谈用LM393制作车充电源开关（转）

1.      从打不开车门说起
        年初，给2003年产的GOLF 4 安装了一台爱国者行车记录仪，一直用得挺好。前不久，因外出一周，忘记拔出其车充，出差回来顿时傻眼了：车门无法打开，无论是遥控还是手动，都无济于事，电瓶电量彻底放完了。
        怎么办呢？致电4S店说，要敲破一块车窗玻璃，人爬进去才能开车门。只有开了车门，才能打开发动机舱盖，才能给电瓶搭电或是更换电瓶。总之是很多个“只有才能”。就没别的办法吗？“有”，儿子的小朋友开了一家汽车修理店，这店老板说。老板带了4个千斤顶、电瓶等工具来到停车点。他说“我的办法很简单，省钱呀！（一共只花了100元）”。只见他用千斤顶将车子顶起来，卸下发动机底盘护板，用外接电瓶并联在发电机输出端（相当于用外接电瓶替换车内电瓶），随即用遥控钥匙开门。“卡擦”车门打开了。
        电瓶是去年6月换上去的，也就使用了一年，还不到更换年限，它的缺电不像是内部故障，怀疑更多的是长期放电导致的电量耗尽。
        GOLF 4于10多年前生产，其点烟器插座带电与否不受车子钥匙控制，因此，只要车充插头不被拔出，它就一直得电，行车记录仪也就一直在工作，直至电瓶电量耗尽。
        爱国者行车记录仪的说明书里没有标出产品的功耗，估计不低于5W。所配的车充，其实也就是一个将12V转5V的电压转换器，其转换效率最多80%，这样算来整体功耗达6.25W。GOLF 4的电瓶大约是12V*60A.h=720W.h。所以，即使电瓶全用于行车记录仪，也只能坚持720÷6.25=115小时（大约5天）。难怪停车一周，车门无法打开了。其实，早在两天前就打不开了。
        既然原因找到了，接下来得想一个办法改造一下，让车充受控于一个耗电量很省的“智能”设备，它可以根据发动机状态自动接通或切断车充电源。由于汽车发动机工作时电瓶处于充电状态，电压较高，而发动机熄火时，电瓶电压逐渐降低，所以，提出以下这个设想应该是行得通的，即用一个电压比较器检测电瓶电压，当发现电瓶充电时则控制继电器动作接通车充电源，当发现电瓶放电时则控制继电器断开车充电源，如能实现，那就可防止上述事故的发生了。
        于是，在淘宝上查找“比较器模块继电器”，最后找得“加强版比较器模块”基本符合要求。它带继电器输出，可以设定参考电压，大于此电压继电器闭合，低于此电压继电器断开。付35元，运费10元，购得此“宝”。
2.    淘来的宝贝用不了
        按照宝贝的使用介绍，首先接好模块板上的连线。然后，把车充拆开，将连接保险丝（正极）和电路板的那根红线剪断，两头分别接入宝贝的输入与输出端子，并将所有负极接在一起。最后，将车充插到点烟器插座，让宝贝带电进行调试，并通过旋转模块板上的电位器来调节参考电压，以使得发动机工作时车充带电，发动机熄火时车充断电。调试中问题来了。一是，无论怎样调节参考电压，当宝贝的输入电压等于此参考电压值时，板上的比较器电路开始震荡，继电器剧烈抖动，接点通断不稳定。二是，如果把参考电压设置的高一点，虽然当发动机熄火时，宝贝的输出能较快的切断，但是，在发动机工作时，遇大灯、雨刮器等电器启用时，宝贝会误动。反之，如果把参考电压设置的低一点，虽消除了误动，但发动机熄火时，宝贝久久不能切断输出。看来宝贝有问题，无法用于实际。
        宝贝用不了，得找个理由把它退回去。网页介绍此宝贝空闲电流为1mA，卖家旺信承诺最多4mA。正好，用于车充电源的控制，这个参数也很重要，想实测一下究竟是多少。实际上，也只有空闲电流比行车记录仪小很多才有改造的意义，否则是雪上加霜、得不偿失。不测不知道，一测吓一跳。实测结果为：空闲电流40mA，工作电流（指继电器吸合时）68mA。将实测结果告知卖家，要求退货。卖家自知产品描述与实际不符，同意退货退款，支付退货运费。一来一去，损失了10元，浪费了时间和精力，问题仍然未解决，很郁闷。
         为什么宝贝在试用中会出现上述问题呢？要找到答案，只得分析其电路。无奈，只好先依据电路板画出电路图，见图1。

由图1可知，这是采用LM393设计的一款无反馈的电压比较器，其工作电源为32V（无法理解），由IC34063从12V（点烟器插座）变换而来。比较器的反相输入端⑥接参考电压，通过W1可获得0~32V的电压范围，同相输入端⑤的输入电压通过电阻R1、R2分压获得。因LM393是OC输出，故⑦脚接上拉电阻R4，并通过R5C2网络驱动Q1。电路工作原理为：当比较器⑤脚从电阻R1、R2分压所得的电压大于⑥脚设定的参考电压时，⑦脚输出高电平，经R5C2延时，Q1导通，继电器线圈得电，常开接点闭合，接通车充电源。当⑤脚电压低于⑥脚时，⑦脚输出低电平，Q1截止，继电器线圈失电，常开接点断开，切断车充电源。当⑤脚电压与⑥脚相等时（或相差很小时），比较器输出的状态模糊且频繁跳变，见图2。由图2不难看出，当比较器同相端输入电压快速上升或下降通过参考点，输出正常，但当输入电压在参考电压附近缓慢变化时，比较器自身产生振荡使得输出多次跳变，以致继电器频繁得电失电，接点发生抖动。


为什么该宝贝用在汽车上总也找不到合适的电压参考点呢？这是由于以下两个原因造成的。一是，汽车电瓶在充电（发动机着火）状态下，电瓶两端的电压很不稳定，会随着负载的变化而变化。二是，电瓶处在放电（发动机熄火）状态下，电瓶两端的电压下降很缓慢。图3给出了电瓶在充/放电状态下选择参考点电压与比较器输出之间的关系。当参考点电压设得较高时，如图中的A点，那么当大电流电器启动期间，将会把电瓶电压拉低，当低到A点的电压值时，比较器输出翻转，变成低电平，切断了车充电源，这是我们不希望的。反过来，如将参考电压设得低一点，低于大电流电器启动时的电压值，如图中的B点，此时，虽然避免了误动，但当发动机熄火，电瓶开始放电，电压下降到B点电压值所需的时间就会变得很长。

由此看来，确显宝贝设计者经验不足，没有考虑到宝贝实际运用时的复杂情况。此外，电路尚有几处令人费解：
         1）12V转换32V。根据手册，LM393的工作电压为2-36V。将其提高到32V供电，只会增加空闲时的功耗（LM393工作在5V时耗电1mA，12V时2mA）。此外电压转化芯片34063本身也耗能呀。
         2）R3选1k。当参考电压设在12V时，通过它的电流将达12mA，这也太大了。一般为选0.5-1mA已足够了。
        3）C1选1000p。这容量选得也太小了。一般而言，输入电压将在电瓶额定电压12V的-2V~+2V之间波动，为了防止比较器误动作，R1、R2、C1均应选大些，C1至少大于10uF。
        4）比较器的参考电压与输入电压回路确实很奇葩、与众不同。通常电路都是将参考电压固定（如用稳压管），通过调节输入回路的分压电阻，以适应待测的输入电压范围。而此处，恰恰相反。此外，参考电压与比较器工作电源电压、输入电压的范围没有直接关系呀！即使电源电压为5V，也可以设计出输入电压0~32V的电路出来呀！
       5）R5C2网络。其本意是消除继电器接点抖动。这反映设计者没抓住要害，路没走对。实际上，应从尽量平滑输入电压、加速比较器的翻转过程去考虑才是对路的。

3.   决定自己动手制作
       通过对宝贝电路的剖析，找到了问题产生的原因，看清了宝贝设计上的缺陷。因此，新电路的设计必须要对此进行改进和完善。主要在以下几个方面。
      ① 比较器电瓶电压检测回路应加入隔离与滤波元件，以防止检测回路的电压因电瓶电压瞬时下降而改变比较器的输出状态，换句话说，比较器输入端所反映的应是电瓶电压在一段时间内的平均值而非瞬时值。
      ② 应增设比较器输入电压在门槛时的状态翻转加速电路，以防比较器自身产生震荡。同时，应能调节输入上升门槛电压及下降门槛电压，使新电路可适用于不同性能的电瓶和充电机。
      ③ 应减少元器件的无效功耗，将空闲电流控制在5mA以内、工作电流控制在25mA以内，使电路对电瓶的放电影响减至极低。
      ④ 合理选取元器件参数，电源在12V±3范围内，电路应能可靠工作，不拒动、不误动。

1）绘制原理图
        根据上述要求，作出电路原理图，如图4所示。与宝贝相同，电路也采用了8脚双比较器LM393中的一个。不同的是，在比较器同相输入端③和输出端①之间跨接了电阻R4，引入正反馈，用以加速比较器状态翻转过程。通常，把这种引入正反馈的比较器电路称为滞回比较器。
        以下详述比较器状态翻转的加速过程。当比较器③脚的输入电压上升过②脚的参考电压值（Uref=2.53V）时，比较器开始进入放大状态，于是输出端①脚的电压开始脱离0V，进入快速上升通道，当其输出超过③脚上电压时，电阻R4便开始向③脚注入电流，使输入电压进一步增高，经放大器放大，输出电压又进一步上升，这又促使电阻R4向输入端注入更多的电流，如此循环，使比较器快速完成由“0”到“1”的状态转换。同理，当比较器③脚的输入电压下降过②脚的参考电压值时，比较器开始进入放大状态，于是输出端①脚的电压开始脱离高电平，进入快速下降通道，当输出低于③脚上电压时，电阻R4便开始由③脚拉出电流，使输入电压进一步降低，经放大器放大，输出电压又进一步降低，这将进一步促使电阻R4由输入端拉出更多的电流，如此循环，使比较器快速完成由“1”到“0”的状态转换。此处“1”电平的电压主要由R5和R6决定，其值约为（12-0.7）x( R6 / (R5+R6))+0.7=6.35V（当R4>>R6、LM393 OC输出时）。


       另一方面，电路引入R4后，将原来的输入门槛电压由1变2个：上升门槛电压和下降门槛电压。从图中Ui点向右看，当Ui由0V上升时，电阻R4右端相当于接地（此时比较器输出为0V），从而导致W1的C点电位比不接R4时要低一点。因此，假如不接R4，Ui在电压值为Umx时，比较器状态发生翻转，那么在接入R4后，Ui必须要增加多一点后，才会引起比较器输出由“0”变“1”，此时的Ui电压值被称为上升门槛Us。同样，当Ui由Vcc开始下降时，电阻R4右端相当于接在高电平所对应的电压值上，这使W1的C点电位比不接R4时要略高一点。因此，假如不接R4，Ui在电压值为Umx时，比较器发生翻转，那么接入R4后，Ui必须要下降得更多一点，才能引起比较器由“1”变“0”，此时Ui的电压值被称为下降门槛Ux。一般，把Us-Ux称为回差。图4中，调节W1可改变Us（图中设计的允许范围为6~18V），改变R4（通常取值为100k~1M）可控制回差的大小。不难理解，R4越大，反馈量越小，回差也越小；R4越小，反馈量越大，回差也越大。由于“回差=Us-Ux”，所以，当Us和“回差”被确定后，Ux也就自然被确定（Ux=Us-“回差”）。图5更详细地描述了电路上升门槛Us、下降门槛Ux、回差与比较器输出之间的关系。

      图4中，D1、C1用于隔离电瓶在充电时的电压波动，并使得波形平滑，以保证比较器采集到的电压不受大电流电器启停的影响。R1、W1、R2组成Uin的分压网络，通过W1的中间抽头接至比较器输入。为满足上升门槛精确调节的需要，W1采用3296精密电位器（25圈10k欧，每圈400欧），其两端串接R1与R2也正是为了减少W1上的压降，降低每圈可调的电压幅度，提高调节精度。R3与D2用于产生比较器所需的参考电压。D2的稳压值一般在3V左右，其工作电流应大于最小稳压电流（1mA），本例定为2mA左右。R5与R6组成Vcc的分压网络，用于确定比较器“1”电平所对应的电压值，同时为Q1基极提供驱动电流，R5与R6阻值之和取决于Q1的放大倍数与继电器线圈的直流电阻。本例所选的继电器直流电阻720欧， Q1选2N3904快速开关管（电流放大倍数>80），选R5+R6=40k已足够。Q1用于驱动继电器，当比较器输出高电平（此时输出开路）时，在R5、R6的作用下，Q1导通，继电器线圈得电，常开接点闭合。当比较器输出低电平时，R6左端接地，Q1截止，继电器线圈失电，常开接点断开。D3为消峰二极管，用于保护Q1。


2）元件焊接与电路测试
       元件焊接并不难，需要注意的是，LM393很容易受静电影响而损坏，所以有必要通过IC座接入电路板，以便于更换。焊好元件后的电路板如图6所示。

图6. 带滞回比较器的车充电源控制电路板
焊接完成后，接下来要做的事就是进行测试，验证实际电路能不能工作，是否符合设计要求。
      首先，将电路接入直流调压电源，检测电路工作点是否正常，并在Uin端加入输入电压，检测电路逻辑是否正确。 测试结果如下：
      ①    当电源电压12V时，R4取值1M，通过调节W1，输入电压上升门槛Us在7-12V范围内均可有效触发比较器状态翻转，此时回差为0.14V。当R4取值500k时，回差增加到0.29V。两种情况下电路逻辑正确，无震荡现象发生。
      ②    电源电压12V时，电路的空闲电流4.6mA，工作电流22mA。
      ③    电路在9V、15V电源供电时，工作正常。
       其次，将电路接入汽车点烟器插座（不受车钥匙控制的那种）进行测试，目的是检测电路在实际场合下能否正常工作。其方法是，将电路接入插座，启动汽车发动机工作，此时尽可能启用大灯、雨刮器、空调、音响等电器，慢慢调节W1，当听到继电器吸合声时，应立即停止，接着启动电动车窗，观察电路是否误动，如有则将R4换上阻值更小点的电阻，重做测试。然后关闭发动机，关闭所有电器，观察继电器接点何时断开。如发现发动机关闭到接点断开的时间过长，则将W1稍微回调一点。
       经在GOLF 4 车上试验，当R4取值500k，继电器吸合/断开与电瓶充/放电特性基本吻合，电路工作正常。

LZ总结的不错，谢谢