电能收集充电器的设计.doc

电能收集充电器摘要：本设计采用晶闸管MCR100-6及稳压管构成开关电路，利用电源电压的变换来实现自动切换的目的。由MC34063和电阻、电感、电容、三极管构成DC/DC降压变换电路,MC34063内置的振荡器通过恒流源对外接在CT管脚上的定时电容不断的充电和放电，以此产生振荡波形;由TPS61200和电感、电容构成DC/DC升压变换电路。由于考虑到现实中锂电池的实际充电饱和为4.2V，所以我们用开关电路进行监控判断Es是否大于4.2V，如果大于4.2V由监控电路自动切换成降压电路进行降压并稳压到4.2V，如果小于4.2V由监控电路自动切换成升压电路进行升压并稳压到4.2V。关键字：DC/DC变换电路 开关电路 MC34063 TPS61200 Abstract: This design uses SCR MCR100-6 and the voltage regulator tube constitutes a switch circuit using the supply voltage switch automatically transform to achieve the purpose. By the MC34063, and resistance, inductance, capacitance, transistor constitute a DC / DC step-down conversion circuit, MC34063 oscillator built through the constant current source in the CT pin of the external timing capacitor charging and discharging continuously so as to generate oscillatory shape ; by the TPS61200 and inductance, capacitance constitutes a DC / DC step-up conversion circuits. Taking into account the reality of the actual charge capacity lithium battery for 4.2V, so we used to monitor the switching circuit to determine whether Es is greater than 4.2V, if more than 4. 2V by the monitoring circuit automatically switch to buck step-down circuit and the voltage regulator to 4.2V, if 4.2V is less than from the control circuit automatically switches into the boost step-up circuit and voltage regulator to 4.2V.Keywords: DC / DC conversion circuit switch circuit MC34063 TPS61200一、方案提出与论证比较： 1、 方案一 采用单片机SST89E51作为系统的核心控制器件，通过ADC0809对输入电压进行采样来实现对输入电压变化的监测。当输入电压大于5V时，用lm7805将输出电压稳定到5V，当电压小于5V时，通过放大器件将电压升高稳压到5V，可以通过模拟开关CD4501实现对降压变换电路和升压变换电路的切换。2、 方案二 根据控制电路的所能提供电源电压以及最大电流，此方案选用继电器来进行升压转换电路和降压转换电路的切换。降压和升压转换电路同样采用芯片MC34063和TPS61200.在继电器线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。3、 方案三 采用晶闸管MCR100-6及稳压管构成开关电路，利用电源电压的变换来实现自动切换的目的。降压电路及升压电路采用芯片MC34063和TPS61200。其中，当电源电压大于5V时，由晶闸管组成的开关电路自动切换到降压电路，将充电器的输出电压稳定在4.2V。同理，当电源电压小于5V时，开关电路切换到升压电路，同样将充电器的输出电压稳定在4.2V。4、 方案比较 （1）方案一中采用单片机对升压和降压转换电路的切换中，由于单片机功耗大，总功率达不到，根据题目低功耗、低成本的要求，很明显单片机功耗太高，指标达不到。而在方案二中，采用继电器做成纯模拟电路来进行切换，在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作，所以控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。而继电器要正常工作一般需要0.2W的功耗，这样就使我们提供的功率使继电器正常工作后，输出的电压就稳定不到4.2V。同样达不到题目的指标。而方案三成功解决了功耗过高的问题，由于功率上去了，输出电压也很稳定。（2） 方案一中采用单片机对AD采样，能达到随时随地的对ES进行监控，然而在给单片机供电的问题上出现了瓶颈，所以此方案行不通。而方案二中采用继电器进行自动切换，继电器反应又太慢。方案三结合方案一和方案二的优点，用晶闸管和及稳压管构成开关电路，既能做到自动切换，也能达到反应快，功耗低的要求。（3） 方案一中需解决给单片机的供电问题，而根据题目要求，单片机的所需的工作电压要由DC-DC模块来提供。即是在单片机开始监控之前DC-DC模块要先工作，但是DC-DC变换是升压还是降压是由单片机控制，因此，此方案的瓶颈在于如何给单片机供电的问题以及解决好单片机的能耗问题。 所以根据上面论述，我们选择方案三。 二、电路设计与制作：图1-1 2.1、系统总体框图设计：2.2、降压变换器转换电路：图1-2 由MC34063构成的降压式DC/DC电压变换器如上图所示，该变换器电路参数为： 输入电压调整率为 40mV( VIN=1020V, I0=500mA),负载调整率5mV(VIN=15V, I0=10500mA),短路电流为1.3A（VI15V, RL=0.1)。MC34063内置的振荡器通过恒流源对外接在CT管脚上的定时电容不断的充电和放电，以此产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的，所以振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。输入电压：VIN(MAX) 必须适应最坏情况下的高输入电压要求；VIN(min)必须考虑到由于接头、保险丝和开关等的压降。一般是较低输入电压下具有更高的效率。输出电压：可以通过下式算出输出电压：VOUT=1.25（1+R1/R2）电感选择：可以通过下式确定一个合适的电感值： 其中，LIR为电感纹波电流和最大连续负载电流之比。输入电容选择：输入电容可以降低注入输入电源的噪声和从输入电源吸取的峰值电流。输入电容必须满足开关电流所要求的纹波电流（IRMS），RMS输入纹波电流由下式给出： 为使电路达到最高的可靠性，输入电容在该RMS电流下的温升应低于10摄氏度。当输入电压等于2VOUT时，IRMS达到最大值，即IRMS=（1/2）ILOAD。输出电容选择：输出电容的重要参数包括实际电容值、等效串联电阻（RESR）、等效串联电感（LESL），以及额定电压。所有这些参数会影响总体稳定性、输出纹波电压以及瞬态响应。输出纹波（VRIPPLE）有3个分量：输出电容存储电荷的波动（VRIPPLE(C)）、RESR上的压降（VRIPPLE(ESR)），以及LESL上的压降（VRIPPLE(ESL)）。 其关系式为： 由ESR和输出电容引起的输出电压纹波为2.3、升压变换器转换电路：图1-3由TPS61200构成的升压式DC/DC直流转换电路图如上图所示，TPS61200是一块超低输入电压、效率高等特点。该变换电路主要极限参数为： 输入电压为0.37V(包括VIN、L、VAUX、VOUT、PS、EN、FB、UVLO 端)。可调输出电压为1.85.5V；固定3.3V 输出电压允差0.03V；固定5.0V，输出电压允差0.05V；内部平均开关电流限制为1350mA；静态电流典型值50A；关闭状态时耗电小于2A。EN 端低电平：VIN0.8V 时为小于0.1VIN、VIN1.5V 时为小于0.4V、0.8VVIN1.5V 时为小于0.2VIN；EN 高电平：VIN0.8V 时为大于0.9VIN、VIN1.5V 时为大于1.2V、0.8VIN1.5V 时为大于0.8VIN。PS 输入低电平为小于0.4V、PS 输入高电平为大于1.2V。 在图1-2 是一种输出电压可设定的电路。输出电压VOUT 与外接电阻分压器R1、R2 有关，其关系式如下：VOUT=VFB（R1/R21） 式中，VFB=500mV，R1 可设为1M，则可求出R2 值。例如，要求VOUT=4.2V，代入上式可求出R2=135k，在图2 中，EN 端、PS 端、UVLO 端接VIN，这表示电源不采用EN 端加低电平来关闭电源；PS 端高电平表示在重负载条件下工作（此时振荡器按固定频率工作）；UVLO 接VIN，表示在VIN250 mV 时，使电源关闭，VOUT=0V，并锁存；只有当VIN350mV 时电源才恢复工作。VAUX 接0.1F 接地，是为了稳定地工作,此电容器在启动时向C3 充电到一定值后，开关管才导通，它对开关管起缓冲作用。若输出电压VOUT2.5V 时。C3 值可采用1F。C3 是输入电容，其值最小是4.7F，这里用10F 独石电容。C1是输出电容，厂家建议采用下式选择C1 值：C1=5L（F/H） 比如L=2.2H，则C2 可取10F。C2 也采用独石电容。采用更大容量的C2 可减小输出纹波电压、减小瞬态负载变化引起的输出电压跌落。上图中电感器L值可用以下式来估算：Lmin=VIN0.5s/A 一般L1 在1.54.7H 之间取值，在整个输入电压与输出电压范围内有较好的性能。2.4、开关电路：1-43、 系统调试 调试方法和过程 ：3.1、调试方法： 采用分别调试各个单元模块,调通后再进行各单元电路联机统调的方法,提高调试效率。3.2、调试过程中遇到的问题：降压转换电路：单独调试这块时，基本能把电压稳定在4.2V，加上后向电路后，电路出现倒灌，通过改变防倒灌电阻RD进行匹配，很好的把电路倒灌问题解决了。升压转换电路：单独高度这块时，不能把输出电压稳定在4.2V，估计因为分压电阻阻值精确度不够,导致不能精确稳定。经过比较发现，开始用的分压电阻为四环，后来改用五环发现精度提升不少，问题也就迎刃而解。开关电路：开关电路用来控制升降电压切换，最后一天做出来，结果发现带负载能力低，会使升压模块的电流拉低，甚至为零，要重新想方案又没时间，所以这一模块经过调试也没有出来。4、 系统指标测试1、 测试仪器设备 DS1102E 100M示波器 GB776-76安培表 MS8264万用表降压电路数据：2、 测试结果如下：升压电路数据：输入电压最大充电电流1.2V8mA1.5V12.5mA1.8V16mA2.1V18mA2.4V24.5mA2.7V24.5mA3.0V25mA3.3V25mA3.6V25mA输入电压输出电流理论应大于的电流10v58mA64mA11v69mA74mA12v80mA84mA13v90mA94mA14v100mA104mA15v112mA114mA16v123.5mA124mA17v136mA134mA18v148mA144mA19v160mA154mA20v172mA164mA 3、数据分析： 由于MC34063的外围电路所选用的三极管BD140效率比较