电能收集充电器设计方案

1 电能收集充电器设计方案 随着社会的发展，能源已经成为当今的社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。在人们的生产、生活中，各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，与人们的工作、生活的关系日益密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系统来处理和存储。而各种用电设备都离不开可靠的电源，如果在工作中间电源突然中断，人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失。对于由交流供电的用电设备，为了避免出现上述不利情况，必须设计一种电源系统，它能不间断的为人们的生产和生活提供以安全 和操作为目的可靠的备用电源。为此，都使用了可蓄电池。这样，即使电力网停电，也可利用电能收集充电器进行储蓄电能。 近年来，节能环保理念深入人心，对半导体 计和应用也提出了更高的要求。 2008 年 11 月，五大手机制造商诺基亚、三星、索尼爱立信、摩托罗拉和 子联合发布了手机充电器的五星级标准。例如，待机功耗小于或等于 30手机充电器属于最高星级。相反，如果待机功耗 500充电器标签上将无任何星级标记。为适应手机充电器的技术革新和发展，新近半导体制造有限公司于近期推出一种新的电源控制芯片 基于 发出全面满足能源之星外部电源 准和五星级标准的充电器方案。 在出现低压和小电流的情况下可以实现小电流的高效收集，在太阳能电池处于阴雨天或风力发电机处于小风情况下，这些发电系 2 统只能输出较低的电压，同时电流也比较小，在这种情况下，通常传统的直接向蓄电池充电的控制器因电压达不到蓄电池充电电压而难以向蓄电池实现充电，或者达到充电电压但电流过小而损失太大达不到充进蓄电池的目的。因此，研究电能收集充电器很有现实意义。 2 设计任务与要求 计任务 设计并制作一个电能收集充电 器，充电器及测试原理示意图如图 充电器的核心为直流电源变换器，它从一直流电源中吸收电能，以尽可能大的电流充入一个可充电池。直流电源的输出功率有限，其电动势 一定范围内缓慢变化，当 不同值时，直流电源变换器的电路结构，参数可以不同。监测和控制电路由直流电源变换器供电。由于 变化极慢，监测和控制电路应该采用间歇工作方式 ,以降低其能耗。可充电池的电动势 阻 图 3 计要求 本要求 （ 1）在 00， 0V 20V 时，充电电流 于（ （ c）。 （ 2）在 00时，能向电池充电的 可能低。 （ 3） 0 逐渐升高时，能自动启动充电功能的 可能低。 （ 4） 低到不能向电池充电，最低至 0 时，尽量降低电池放电电流。 （ 5）监测和控制电路工作间歇设定范围为 0.1 s 5s。 挥部分 （ 1）在 ， ，以尽可能大的电流向电池充电。 （ 2）能向电池充电的 可能低。当 ，取 1；当 ，取 （ 3）电池完全放电， 0 逐渐升高时，能自动启动充电功能（充电输出端开路电压 路电流 0）的 可能低。当 ，取 1；当 ，取 （ 4）降低成本。 （ 5）其他。 3 设计方案的选择与论证 案选择和论证 4 本题目要求制作一个电能收集器，从输出 0v 20v 电压（内阻随功率变化）的直流电源吸收能量，给模拟 电池充电 。充电器输出电压不小于 吸入型电源模拟充电电池。 方案一 :用分离元件完成电路设计。 利用专业的 成 以方便控制输出电压，但是驱动 首先需要较大电压，无法满足题目中电源电压变动范围大的要求而且转换效率较低，功耗大，输出电压中的纹波大，对硬件系统要求高。 方案二： 换器 如图 变换器输出电压可通过公式（ 1）计算得到，能量存储和传递同时在两个开关期间和两个环路中进行，这种对称型可以使它达到较高的效率，两个电感适当耦合可以理 论上达“零纹波”，但是该方案对电容要求较高，且需两个电感，成本高，同时输入输出相对地不同，控制电路相对复杂。 公式（ 1）： 图 方案三： 换器与 换器组合 如图 0V 20V 时，采用 路实现功能，在 5 (c)=(100+1)=出功率： o*换效率 : =i=(100%=92% 当 0V 时，最大输出电压： 2/(420*20/(4*100)=1W 输出电流 : (c)=(100+1)=出功率： o*换效率 : =i=()*100%=所以在最理想的情况下，电源的转换效率要大于 92%，才能满足 (c)，并且必须使用同步整流技术。 9 拟可充电电池的分析 根据题目要求，当 0V 时，充电电流： (s)=过防止电流倒灌进的电阻为 通过 电流 c (如下图所示 ), 图 拟 可充电电池 所以 ，使能同步整流。变压器设计如下： 根据题意，充电器输出最大功率 ,且 00本电路中选用 芯 f=20其最大传输功率 15W。 初级电感： 10 总的负载功率： 电流峰值： 能量处理能力： 电状态 磁芯几何参数： 匝数计算： 设气隙长度 初、次级匝数： 5 系统硬件电路设计 电路的设计与参数设计 主电路原理图采用单端反激拓扑， 具有同步整流功能的 动芯片，其静态功耗为 2 电，最大驱动电流 2A。 增强型 N 沟道 ，导通电阻 损耗小，最大漏源电流 0A，完全能满足题目要求。 图 统硬件电路 11 图中 1 脚是 的输入端，经内部反相分别从5 脚和 7 脚输出两路反相的 号驱动 阻 止驱动的电压尖峰击穿 。 3 脚 用作同步整流使能，低电平有效；当充电器输出电流小于 400，单片机将 3 脚置高，不使能同步整流， 5 脚输出低电平， 止，肖特基二极管 1作；相反，当输出电流大 于 400 ，3 脚置低，使能同步整流， 5 脚输出 ， 常工作。 动电路设计与参数设计 题目要求尽量低的 启动充电器，如图 用升压芯片够 输入的情况下，稳定输出 5V 给控制电路供电，保证系统低电压空载启动。当输入电压大于 时，单片机控制继电器导通， 工作，控制及监测电路由充电器输出 供电。但遗憾的是由于时间原因，启动电路没能做出来，所以我的作品没有空载自启动的功能。 图 根据题目要在 0V 20V 时达到 于 (（ c）的要求，可得出监测和控制电路的功耗最大不能超过 12 10此，我选择 超低功耗单片机 为控制核心，其 的静态电流为 2804M 外部高速晶振下程序正常运行时的电流为 其内部具有 3 路 32 倍信号放大能力的 16 位 A/D，具有多路 输出，完全满足本题最大输出电流追 踪的要求。同时，单片机的绝大部分时间都工作在低功耗模式，以降低功耗，并由内部定时器每隔一段时间低功耗唤醒一次，调节输出电流。其间隙低功耗时间在 5s 范围内任意可调。 系统监测输出的充电电流就需要对充电电流进行采样，采样电阻选用 的康铜丝，采样电阻两端接差分放大电路，将电流信号转换成 以采样的电压信号，然后送入 部进行采样，处理，显示。差分放大器选用 路尽量选择对称的电阻值，可以做到较高的共模 抑制比，可以抑制电路中的纹波干扰，较高精度的采到充电电流。 6 系统软件设计 由于电能收集充电器对系统的功耗及效率均要求很高，所以应用最为广泛的正 5 伏供电的 51 系列单片机就不太合适了，正 5 伏供电的单片机将会使系统功耗增大及效率降低。所以要寻求供电电压低的低功耗单片机。而 列单片机由于它具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点，同时内部还集成了高精度 换器，这将会在一定程度上降低系统的功耗，在此选用 13 列 一款单片机。为了更深入了 解 片机，下面再具体介绍它的内部结构和外部电路。 列 单片机 是美国 德州仪器 (996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器 (称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。 列单片机是一个 16 位的单片机，采用了 精简指令集 （ 构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8体驱动下指令周期为 125 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面， 列单片机能在 8体的驱动下，实现 125指令周期。 16 位的数据宽度、 125指令周期 以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 ）。 列单片机的 中断 源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6 超低功 耗 片机之所以有超低的功耗，是因为其 14 在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先， 列单片机的电源电压采用的是 压。因而可使其在 1时钟条件下运行时 ,芯片的电流会在 200400右，时钟关断模式的最低功耗只有 次，独特的时钟系统设计。在 列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ ）时钟系统或 字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（ 32768 , 有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生 各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式 （ 和五种低功耗模式 （ 。在等待方式下，耗电为 在节电方式下，最低可达 系统工作稳定。上电复位后，首先由 动 以保证程序从正确的位置开始执行，保 证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 钟 发生故障， 自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块 列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（ 、模拟比较 15 器 A 、定时器 A （ 、定时器 B （ 、串口 0 、 1（ 1 ）、硬件乘法器、液晶驱动器、 10位 /12 位 16 位 D、直接寻址模块（ 、端口 O （ 、端口 16 （ 6 ）、基本 定时器（ 等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16 位定时器（ 具 有捕获 / 比较功能，大量的捕获 / 比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 ；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 6*8 条 I/O 口线； 口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入； 12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件 行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输 （ 模块。 列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 方便高效的开发环境目前 列的主要开发环境是软件界面友好，功能强大，支持C， C+，汇编语言，能在线调试和仿真。程序下载采用 载到内部的 面去。 16 图 部的功能框图 因为我只要用到 块，所以只用单片机的 它都是单片机的内部资源。根据系统要完成的功能，程序共分为时钟模块，定时器模块， 换模块，中断模块。下面分别介绍它们的程序。 时钟模块： 因为 部有很多时钟，如 。但是根据系统要求，最终选用 为系统时钟，它的 初始化程序如下： ,is if it is 定时器模块： 17 部有丰富的定时器，我选用定时器 B 作为 样的时钟，也作为监控电路工作间歇的时钟源。它的 初始化程序如下： , 50000; 块： 部有 12 位的 换模块，选用内部的参考电压，转换精度高，并且极大的降低的系统的功耗，它的初始化程序如下： i; =|=|= /允许转换位 ( i=0; (3)s=1， ，充电电流 值如 下表 ： ) c(4)s()如 下表 ： 条件 小 ) 5) 0 逐渐升高时，能自动启动 充电功能的值： 条件 小 ) 6)当 0 V， 时， 电池的放电电流 (7)监控和控制电路工作间歇设定范围能在 S 内程控设定，步进 根据实际测得的结果，充电时的最大电流值不是稳定在一个固定的值，而是在某个值附来回跳动，其是由于单片机在追踪最大电流值时不停地改变占空比所造成的；并且在最大流输出时充电器并未工作在最大功率传输点，这是由于后端电源等效为一个容性阻抗所致。 8 总结 本系统以 功耗单片机 为控制 核心，结 21 合 动 导通电压开关管 计并制作了该电能收集充电器，完成了题目所给的基本和发挥部分的大部分要求。通过这次设计，我们学到了很多东西，感触颇多，受益匪浅。 参考文献 1 高吉祥 M2001. 2 周志敏 ,周纪海 ,纪爱华 M2007 3 周志敏 ,周纪海 ,纪爱华 M. 人们邮电出版社 ,2005 4 户川治郎 M2006. 5 周志敏 ,纪爱华 M2008. 6 沈建华 ,杨艳琴 ,翟晓曙 列 16 位超低功耗单片机原理与应用 M2004. 7谭浩强 序设计 (第二版 )M1999. 8李光飞 M北京航空航天大学出版社， 2004. 9陈明义 M南大学出版社 2002. 10潘永河，沙河，刘向阳电子线路 用教程 M西安：西安电子科技大学出版社， 2001. 11 . 12 赛尔吉欧佛朗哥 (,刘树