电能收集装置试验报告分析解析

1、电能收集充电器摘要本设计要求制作一个电能收集充电器， 以直流电源变换器为核心， 从一直流 电源中吸收电能，并尽可能大的电流充入另一可充电的电池。系统 DC-DC 模块 采用性能优越的升压芯片 TPS61200 和降压芯片 TPS5430 组成转换电路， TPS61200的固定输出误差较小， 转换效率很高， 在输出功率较低时有节能模式， 能提高效率， TPS5430同样具有很高的转换效率， 最高可达 95%，选用这两款芯 片以提高转换效率， 并降低开启电压。 充电放电选择开关使用拨动开关， 进一步 提高转换效率。本设计的软件部分采用 MSP430G2553 单片机和 LCD 屏进行控 制显示。关

2、键词： 直流转换器 转换效率 TPS61200 TPS5430 MSP430 单片机AbstractThis collected design requirements to produce a power charger, dc power converter as the core, has been flow from the power of absorption power, and as far as possible big electric current charge into a rechargeable battery. System DC - DC module USE

3、S the superior performance of booster TPS61200 and step-down chip TPS5430 of transform circuit, the fixed TPS61200 output error is small, high conversion efficiency, at lower output power energy saving mode, can improve efficiency and TPS5430 also has the very high conversion efficiency, up to 95%,

4、choose the two chip in order to improve the conversion efficiency, and reduce the open voltage. Charge discharge switch using a toggle switch, further improve the conversion efficiency. The design of the software part controlled by MSP430G2553 MCU and LCD display.Keywords ： DC-DC Converter transfer

5、efficiency TPS61200 TPS5430 MSP430 single chip computer1 系统总体方案与实现框图1.1 系统设计要求该系统的目的是从一个直流电源中输出电能， 经过直流电源转换器， 以尽可 能大的的电流充入可充电电池中，基本结构框图如图 1-1 所示：图 1-1 基本结构框图1.2 系统组成系统 DC-DC 模块采用高效率转换芯片 TPS5430和 TPS61200 组成，采用 MSP430单片机进行软件的控制。当 ES 3.6V 时，选择开关切换到 TPS61200组 成的升压电路；当3.6V ES 5.5V 时，选择直接充入可充电电池；当 5.5V E

6、S 20V 时，拨动开关选择电流经过 TPS5430 的降压电路，以较高效率 向充电电池充入电流。各模块合成图如图 1-2 所示：升压电路升压电路采可样充 电 电输入 ES选择电路直接充电电降压电路路池由 ES大小来判断电路的选择MSP430 采样控制图 1-2 系统模块图2 方案的比较与选择2.2 升压电路方案选择 方案一：使用 TL494 升压变压器TL494 升压变压器能够较好的把输入的电压 Es 升到所需要的电压范围，但 由于是变压器构成的升压电路，系统的转换效率往往很低，达不到题目的要求， 故不采用此方案。方案二：使用 TPS61200升压芯片TPS61200是一款高效率的升压芯片，

7、 其固定输出误差很小， 输出电压在 0.5V 时，在满负载的条件下， 也能启动工作， 输入工作的电压范围很广， 在 0.35.5V， 并且在输出功率较低时，有节能模式，可提高效率。综合各方面的条件，设计采 用本方案。2.2 降压电路方案设计方案一：使用降压芯片 TPS5430TPS5430 是一个高输出电流 PWM 转换器，其内部集成了一个高性能的电 压误差放大器， 在瞬态条件下有严格的电压调节精度， 具有欠压锁定功能， 以防 止输入电压达到 5.5V 时启动 ;内置慢启动电路限制浪涌电流，电压前馈电路改 善瞬态响应。其他功能还包括一个灵敏的高电平使能端、过电流保护和热关机， 各方面的优越性使

8、本设计采用此方案。方案二：利用分离组件搭建。运用 PWM 脉宽调制驱动 MOS 管进行降压， MOS 管可以很方便的输出电 压，但由于其本身转换效率很低，驱动电压很高，且功耗大的缺点，使该方案很 难在本设计中发挥出题目所要求的效果，故舍弃该方案。2.3 开关控制电路方案方案一：选用模拟开关控制模拟开关选用 TS5A3166 芯片，它是一种单通道模拟开关， 从 1.6V 到 5.5V， 该器件提供低导通电阻，具有良好的总谐波失真性能和极低的消耗功率。 方案二：手动控制开关方案使用拨动开关，手动控制系统进行升压或者降压，当ES 3.6V 时，拨动选择升压模式；当3.6V ES 5.5V 时，拨动开

9、关选择直充模式； 当5.5V ES 20V 时，拨动开关选择降压模式。该方案可减小功率耗损，且简单易实现，本设计采 用此方案。方案三：由软件控制开关自动选择方案通过MSP430单片机内部 AD采样电路对输出电压采样， 根据电压大小的范 围控制电路的选择， 即选择升压电路还是降压电路， 该方案实用性很强， 但单片 机难以自启动，且会消耗电能，使系统转换效率降低，故不使用该方案。2.4 采样电路方案设计本设计采用 MSP430 单片机进行电压和电流的采样，对电流的采样，先有 采样电阻将电流转换为电压，再经过 INA210 放大 200 倍后进入单片机的 AD 转 换模拟采样端口。 MSP430 优

10、越的超低功耗及其丰富的集成设备，在本设计有很 好的实用性。3 理论分析与计算3.1 提高效率的方法分析与计算题目要求在 10V Es 20V 时，充电电流 Ic 大于 Es Ec Rs Rc ，因而必 须对充电电流有一定的限制，当 Es 10V 时， Ic 10 3.6 100 0.1 =0.064A， 对应的直流输出必须大于或等于 3.6064A；当 Es 20V 时， Ic 0.1638A 才能满由图 3-1 可知:Pi Es Is I s2 Rs（式 3-1）（式 3-2）有分析可知，当Is Es 2Rs时，输出效率可达到最大值，且此时的输出效率为Pma x U2 4Rs（式 3-3）而

11、此时的输出功率为：Po Uo*Io Ec Ic*Rc *Ic（ 式 3-4）而效率为：Po /Pi式 3-5 ）当 Es 10V 时，最大输出效率为： Pmax U 2 4Rs =0.25W输出电流为：Ic Es Ec Rs Rc 63.9mA此时的输出功率为：Po Uo*Io Ec Ic*Rc * I c 0.230W转换效率为：Po /Pi 92%同样的，当 Es 20V 时， Pmax=1W ，Po=0.723W，Po/Pi 92%由上述分析可知，要满足题目要求的 I c Es Ec Rs Rc ，必须要使芯片 的转换效率达到 92%以上，本设计使用的 DC-DC 部分的芯片为 TPS6

12、1200 和 TPS5430，其理想转换效率可达到 95%。3.2 可充电电池参数分析题目要求，当10V Es 20V 时，要满足条件 Ic Es Ec Rs Rc ，取Es的 最大值，可得到 Ic 0.1638A ，此时 Rd Ec Ic 3.6V 0.1638A 21.978 ，而输 出电流在 450mA 左右， Rd 3.6V / 450mA 8 ，考虑到电阻的阻值太小，电池 的输出功率会过大，因而取 Rd 8 比较合适。4 电路与程序设计4.1 升压电路设计当Es 3.6V时 ，由升压电路对直流稳压电源的输出进行升压， 升压电路采用TPS61200 芯片，其转换效率最高可达到 95%，

13、输入电压范围在 0.3V5.5V，能 够输出稳定 3.6V 的电压。升压电路的电路图如图 4-1 所示：54.2 降压电路设计当10V Es 20V 时，需要经过降压电路对输入的电压进行降压处理，降压 电路采用芯片 TPS5430, 该芯片的输入电压范围为 4.5V 到 40V，能够稳定的输出 3.6V 的电压，转换效率最高也可达到 95%，降压电路的电路原理图如图 4-2 所示：图 4-2 降压电路原理图4.3 电流检测电路设计电流检测电路采用 INA210 款芯片，其输入电压在 +2.7V+26V 范围内，可 实现 200 倍的增益，可监测共模电压上 -0.3V 到+26V 的压降，零漂移

14、架构的低偏 移使得在整个分流上能够感测的最大压降低至 10mV 满量程。电路原理图如图 4-3 所示：图 4-3 电流检测电路原理图 4.44.4 防电池倒灌电路设计防倒灌电路是由 TS5A3166 芯片组成，在充电器输出与电池之间加上防倒灌 电路，当充电器电压较低时，防止电池放电。电路原理图如图 4-4 所示：图 4-4 防倒灌电路原理图5 系统测量结果与分析5.1 测量仪器仪器 混合信号数字示波器 任意波形发生器 台式万用表 全自动数字交流毫伏表 程控直流电源DSOX 2202A(70MHz)YB32020UNI-T UT802YT1931MDP33035.2 测试结果(1)当 Rs 10

15、0 ,10V Es 20V 时，充电电流 Ic的值， 判断 Ic的值 是否满 足Ic Es Ec Rs Rc ，结果如表 1 所示：Es/V1011121314151617181920Ic/mA4455657687101124135170172181表1(2)当 Rs 1 ，1.2V Es 3.6V 时，充电电流 I c的值，如表 2 所示：Es/V1.21.52.02.53.03.6Ic/mA27304216323478表2(3)能向电池充电的最低 Es，如表 3 所示Es和 Rd 的取值Es1.1VRd=0.11.1VEs3.6VRd=0.17最小的 Es/V表3(4) Es从 0逐渐升高，能自动启动充电功能的 Es值。如表 4所示：Es和 Rd 的取值Es1.1VRd=0.11.1VEs3.6VRd=0.1最小的 Es/V表45.3 设计总结本次设计在很大程度上考查的是我们对模拟电路的掌握程度， 让我们对模拟 电子技术的理解和掌握更深了一些， 在硬件的焊接上面也对我们有很大考验， 在 调试时，