【某生态监测装置供电系统设计内容分析4000字】

某生态监测装置供电系统设计内容分析目录TOC\o"1-3"\h\u25981某生态监测装置供电系统设计内容分析 1304811.1太阳能发电板与储能电池 125308表4-1太阳能发电板参数 2106471.2充电电路设计 213318表4-2芯片CN3704引脚分配及功能表 316903表4-3状态指示灯说明 4298311.3保护电路设计 423081表4-4芯片S-8254A引脚分配及功能表 5148011.4稳压电路设计 644511.5电路PCB设计 101.1太阳能发电板与储能电池由表2-2提供数据可知11月份平均日照时数最短，若本次设计供电电源在此数据下仍能保证监测装置的稳定供电，则其他月份依旧可以保证供电。即平均日照时数为 （4-1）每日有效光照时长记为5小时；由2.3节内容可知连续阴雨天为4天；由1.2.1可知太阳能发电板转换效率为15%左右；由式2-1可知监测装置每日耗电量为7.2WH；经过对比1.2.2节中各类电池优缺点，考虑本次设计的供电电源是为草原温湿度监测装置供电，属于小功率设备，且处于长期工作模式下，储能电池需要进行频繁的充电放电。因此选用高容量、高效率、循环特性好的18650锂电池作为储能电池。单节锂电池标准电压为3.7V，充电终止电压为1.2V，放电截止电压为3.2V。由于本次设计中监测装置工作电源为12V，因此选用四节锂电池串联为监测装置供电。考虑上述分析中的极端天气情况，在4天连续阴雨天时太阳能发电板无法正常发电，需由锂电池提供监测装置工作所需要的电能，因此锂电池容量为： （4-2）所需的太阳能发电板功率为： （4-3）综上所述，本次设计选用四节容量为2600mAH的18650锂电池串联作为储能装置。选用的太阳能板参数如表4-1所示：表4-1太阳能发电板参数功率10W尺寸240*350*17mm工作电压18V开路电压21.6V工作电流0.55A短路电流0.6A太阳能发电板安装倾角一般都与当地纬度值相等或上下略有浮动，哈密地区位于新疆维吾尔自治区最东端，中心区域东经93°44'，北纬42°78'。因此太阳能发电板可以朝向正南，倾角40°安装。1.2充电电路设计由3.1节对各充电方式的分析可知，单独使用恒压充电或恒流充电对锂电池损害较大，间歇充电方式虽然效果较好，但是电路复杂、造价高，因此选用阶段充电模式。锂电池的阶段充电可以用专门的IC芯片控制，本次设计计划采用集成芯片来完成锂电池充电电路，专用的锂电池充电管理芯片CN3704可满足本次设计要求：CN3704，该芯片是一款7.5V～28V输入，最大5A充电，PWM降压模式4节锂电池充电管理集成电路，独立对4节锂电池充电进行自动管理，有涓流、恒流、恒压三种充电模式，可以满足充电电路的设计要求。其封装和引脚分配分别如图4-1和表4-2所示：图4-1芯片CN3704封装（TSSOP-16）表4-2芯片CN3704引脚分配及功能表管脚序号名称功能1VG内部电压调制器输出。为内部驱动电路提供电源。在VG管脚和VCC管脚之间接一个100nF的电容。2PGND功率地3GND模拟地4CHRG漏极开路输出端。在充电状态，内部晶体管将此管脚拉到低电平；否则，此管脚为高阻状态。5DONE漏极开路输出端。在充电结束状态，内部晶体管将此管脚拉到低电平；否则，此管脚为高阻状态。6TEMP电池温度检测输入端，在此管脚到地之间连接一个负温度系数的热敏电阻。7EOC充电结束电流设置端。将此管脚直接接地或通过一个电阻接地。8COM1回路补偿输入端1，在此管脚到地之间接一个470pF的电容。9COM2回路补偿输入端2，在此管脚到地之间串联连接一个120Ω的电阻和一个220nF的电容。10TEST测试端。需将此管脚接到地。11COM3回路补偿输入端3.在此管脚到地之间接一个100nF的电容。12NC没有连接。13CSP充电电流检测正输入端。此管脚和BAT管脚测量充电电流检测电阻RCS两端的电压，并将此电压信号反馈给芯片进行电流调制。14BAT电池电压检测输入端和充电电流检测负输入端。内部高精度电阻分压网络连接到此管脚，同高精度的电压参考源和运算放大器一起决定了恒压充电电压15VCC外部电源输入端。VCC也是内部电路的电源。此管脚到地之间需要接一个滤波电容。16DRV驱动片外P沟道MOS场效应晶体管的栅极。CN3704的恒流充电电流由连接于CSP管脚和BAT管脚之间的电流检测电阻RCS设置，在恒压充电模式，电池电压为16.8V，精度为1%。当VCC管脚电压大于低压锁存阈值，并且大于电池电压时，充电器正常工作，对电池充电。如果电池电压低于11.2V，充电器自动进入涓流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的15%。当电池电压大于11.2V，充电器进入恒流充电模式，此时充电电流由内部的200mV基准电压和一个外部电阻RCS设置。当电池电压继续上升接近恒压充电电压时，充电器进入恒压充电模式，充电电流逐渐减小。当充电电流减小到EOC管脚电阻设置的值时，充电结束，DRV管脚输出高电平。充电结束后，如果输入电源和电池仍连接在充电器上，由于电池自放电或者给负载功能，电池电压逐渐下降，当电池电压降低到16V时，将开始新的充电周期，保证电池的饱满度在80%以上。根据芯片手册提供信息可以设计如图4-2所示电路：图4-2锂电池充电电路在充电状态，CHRG管脚为低电平，在其他状态为高阻态。在充电结束状态，DONE管脚为低电平，在其他状态为高阻态。当电池没有接充电器时，CHRG输出脉冲信号。因此图4-2中两个LED灯的状态指示说明如表4-3所示：表4-3状态指示灯说明CHRG管脚DONE管脚状态描述低电平（D2亮）高阻态（D1灭）充电高阻态（D2灭）低电平（D1亮）充电结束脉冲信号脉冲信号没有连接电池1.3保护电路设计由于18650锂电池容量较小，且目前锂电池保护电路的技术已经相对成熟REF_Ref28994\r\h[21]，因此本次设计直接采用精工半导体有限公司研发的型号为S-8254A的锂电池保护IC。S-8254A系列是ABLIC公司研发的用于3节或4节串联锂电池的充放电保护IC，内置高精度电压检测电路和延迟电路并且具有完整的充放电保护机制，如过充检测、保护和释放，过放检测、保护和释放，过流和过压保护等。其封装和引脚分配分别如图4-3和表4-4所示：图4-3芯片S-8254A封装（TSSOP-16）表4-4芯片S-8254A引脚分配及功能表管脚序号名称功能1COP充电控制用FET门极连接端子（N沟道开路漏极输出）2VMPVC1-VMP间的电压检测端子（过电流3检测端子）3DOP放电控制用FET门极连接端子（CMOS输出）4VINIVSS-VINI间的电压检测端子（过电流1、2检测端子）5CDT过放电检测延迟、过电流检测1延迟用的电容连接端子6CCT过充电检测延迟用的电容连接端子7VSS负电源输入端子、电池4的负电压连接端子8NC*1无连接9NC*2无连接10SEL3节串联/4节串联的切换段子VSS电位：3节串联VCC电位：4节串联11CTL充电用FET以及放电用FET的控制端子12VC4电池3的负电压、电池4的正电压连接端子13VC3电池2的负电压、电池3的正电压连接端子14VC2电池1的负电压、电池2的正电压连接端子15VC1电池1的正电压连接端子16VDD正电源输入端子、电池1的正电压连接端子根据芯片手册提供的信息可以设计如图4-4所示电路：图4-4锂电池保护电路S-8254A通过两个PNP的MOS管及相关的阻容配合完成锂电池充放电保护电路。正常充电时，保护芯片的1号和3号管脚都是低电平状态，左侧的充电MOS管Q1导通，与右侧放电MOS管的体二极管形成通路，充电电流可以正常流过，为电池充电。正常放电时，保护芯片的1号和3号管脚都是低电平状态，右侧的放电MOS管Q2导通，与左侧充电MOSG管的体二极管形成通路，放电电流可以正常流过，为负载供电。当任意一个电池的电压达到或高于过充检测电压时，S-8254A可实时检测锂电池电压，当某一电池电压达到或高于设定阈值时，COP处于高阻态，COP端子通过外界电阻上拉为EB+的缘故，左侧充电用MOS管关断，充电回路切断。过放保护与上述过程类似，当某一电池电压达到或低于设定阈值时，DOP处于VDD电平，右侧放电用MOS管关断，放电回路切断。1.4稳压电路设计本次设计监测装置所需供电电源为12V，而储能电池输出电压大于12V，因此需要设计一个稳压电路对输出电压进行控制。稳压电路能够将一定幅值的直流输入电压变换成另一幅值的直流输出电压，分为Buck、Boost、Buck-Boost三类变换电路。Buck变换电路可以将等级较高的直流电压转换为等级较低的直流电压，也叫降压斩波电路REF_Ref29083\r\h[22]。由于本次设计储能电池的输出电压大于最终输出电压，因此需要用到Buck电路，其基本结构如图4-5所示。Buck变换器主回路使用的元件主要是开关器件、电感和电容。开关器件：开关管VT、续流二极管VD，具有导通和关断两种状态，并且可以进行高频率的状态切换；电感L：储能元件，对电流的变化起阻碍作用，流过电感器件的电流不能突变，可用于平滑电流；电容C：储能元件，对电压的变化起阻碍作用，电容两端的电压不能突变，主要用于吸收电压纹波，具有平滑电压波形的作用REF_Ref29112\r\h[23]。图4-5Buck电路基本结构理想条件下，Buck电路工作于电感电流连续导通模式时的电路波形图如图4-6所示。Buck电路中，为开关管处于导通状态的时间；为开关管处于关断状态的时间；为开关周期。图4-6中为控制电路施加给开关管的驱动电压，为开关管两端电压，为续流二极管两端电压，和分别是电感两端电压和流过电感的电流，和分别是Buck电路的输入电压与输出电压。由波形图可以直观地看出，当为高电平时，开关管导通，续流二极管VD处于截止状态，，。此时输入电压通过电感向负载供电，电感L与电容C储能，电感电流上升。电感两端电压为： （4-4）当为低电平时，开关管截止，续流二极管处于导通状态，，。此时电感L和电容C为负载供电，电感电流下降。电感两端电压为： （4-5）电感伏秒平衡原理即稳态条件下，电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零，由此可以列出以下关系式： （4-6）将式（4-4）与式（4-5）结果带入可得： （4-7）化简等式可得： （4-8）式中D为导通占空比，简称占空比且0≤D≤1，因此Buck变换电路的输出电压不可能高于其输入电压，属于降压斩波电路。此过程即Buck电路的工作原理，实际应用中通过调节控制电路输出的信号即可对输出电压平均值进行调制REF_Ref29181\r\h[24]。图4-6Buck电路波形图本次设计准备采用集成芯片LM2596对稳压电路进行设计，LM2596系列是德州仪器（TI）生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，内含固定频率振荡器和基准稳压器，并具有完善的保护电路、