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

2、，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IC设计和应用也提 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LG电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30mW勺手机充电器属于最高星级。相反, 如果待机功耗三500mWV则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，新近半导体制造于近期推出一种新 的电源控制芯片AP3768并基于AP3768开发出全面满足能源之星外 部电源2.0标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

3、处于阴雨天或风力发电机处于小风情况下，这些发电系 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2.1 设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2.1。该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Es在一定围缓慢变化，当Es为不同值时，直流 电源变换器的电路结构，参数可以不同。

4、监测和控制电路由直流电 源变换器供电。由于Es的变化极慢，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 Ec=3.6V,阻Rc=0.1?。匕流电源模拟川,充电池光电器（也折控电-1期S）图2.1测试原理示意图2.2 设计要求2.2.1 基本要求(1)在 Rs=100? , Es=10口20V 时，充电电流 Ic 大于(Es-Ec) / (Rs+RC。(2)在Rs=100Q时，能向电池充电的Es尽可能低。(3)Es从0逐渐升高时，能自动启动充电功能的Es尽可能低。(4) Es降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围为

5、0.1 s5s。2.2.2 发挥部分(1)在Rs=1? , Es=1.2V3.6V时，以尽可能大的电流向电池 充电。(2)能向电池充电的Es尽可能低。当EsA1.1V时，取Rs =1?;当 Es0)的Es尽可能低。当Es 1.1V 时，取 Rs =1 ?;当 Es1.1V 时，取 Rs=0.1 ?。(4)降低成本。(5)其他。3设计方案的选择与论证3.1 方案选择和论证3.1.1 电源变换拓扑方案论证本题目要求制作一个电能收集器，从输出 0V20V电压（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3.6v ,用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

6、。利用专业的PW怵驱动芯片驱动MO甯，完成DC-DC勺变换。可 以方便控制输出电压，但是驱动 MOSf首先需要较大电压，无法满 足题目中电源电压变动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：CuK变换器如图3.1 , Cu侬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3.1 CuK变换器方案三：BUC期换器与BOOS变换器组

7、合如图3.2,在Es=10V-20V时，采用 BUCK电路实现功能，在ES(Es-Ec)/(Rs+Rc)=(10-3.6)/(100+1)=63.3mA输出功率：PoUo*Io=3.6*0.063=0.23W转换效率：“=Po/Pi=(0.23/0.25)*100%=92%当Es=20V时，最大输出电压：Pmax=U/(4Rs)=20*20/(4*100)=1W输出电流：Ic(Es-Ec)/(Rs+Rc)=(20-3.6)/(100+1)=162.3mA输出功率：PoUo*Io=3.6*0.163=0.587W转换效率：“=Po/Pi=(0.587/1)*100%=58.7%所以在最理想的情况

8、下，电源的转换效率要大于92%才能满足Ic(Es-Ec)/(Rs+Rc),并且必须使用同步整流技术。4.2 模拟可充电电池的分析根据题目要求，当Ec=20V时，充电电流：Ic(Ec-Es)/(Rc+Rs)=0.16A通过防止电流倒灌进的电阻为 Rd,则通过Rd的电流IdIc （如下图所示），UdEg图4.3模拟可充电电池所以RdEc/Id=3.6/0.16=22.5 Q但是，Rd过小会使 Ec输生功率太大，经过试验决定，取 Rd为15欧、5W的水母电阻。4.3 单端反激变压器的设计与计算因为同步整流技术只能当电感工作于连续模式时才能发挥作 用，但考虑到Es在10v20v变化时，输出电流会很小

9、50mA- 240mA要使变压器工作于连续模式所需电感量很大，会使成本和体积都增大，同时，绕线长度增加铜损也会增大；综合考虑，我把电 感临界电流点Ioc设在400mA处，当输出电流IoIoc时，使能同步整流。变压 器设计如下:充电器输出最大功率Pout=3.2 W,且Ioc=400mA,在本电路中选用TDk磁芯PQ265 f=20KHz时其最大传输功率 15W噎或广 34%0.6%50x】厂=ij =初级电感:总的负载功率:R喇阳却二0由加。掰二拗T 2x3-2x50x10电流峰值：in -兀川rrix = 4A(K9x2x45xl()-t能量处理能力:L I1小二二IL尸吟上小3电状态Ke：

10、= O.145X3.2XO.5IX1O = 1.16x0-sJ.16X1O-5图5.1系统硬件电路s S GDDn D磁芯几何参数: 匝数计算: 设气隙长度lg=0.1mm,则初、次级匝数:。 1/0477x10 V0r4zrxLISxl(loxl.05V =I.2.V =12 * 5系统硬件电路设计5.1 主电路的设计与参数设计主电路原理图采用单端反激拓扑，TPS2836M具有同步整流功能 的PWM区动芯片,其静态功耗为2mA,能3.6V供电，最大驱动电 流2A。IRF7822是增强型N沟道MOS管，导通电阻5.5mQ,损耗 小，最大漏源电流Ids=20A,完全能满足题目要求。图中TPS28

11、36的1脚是PW瞰的输入端，经部反相分别从 5脚 和7脚输出两路反相的PWM1号驱动IRF7822,电阻R1和R2是起缓 冲作用，防止驱动的电压尖峰击穿 MOST。 3脚DT端用作同步整流 使能，低电平有效；当充电器输出电流小于 400mA时，单片机将3 脚置高，不使能同步整流，5脚输出低电平，IRF7822截止，肖特 基二极管1N5819工作；相反，当输出电流大于400 mA寸，3脚置低, 使能同步整流，5脚输出PW怵，IRF7822正常工作。5.2 启动电路设计与参数设计题目要求尽量低的Es能启动充电器，如图5.2,使用升压芯片 TPS61202能够Es=0.5 V输入的情况下，稳定输出5

12、V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3.6 V时，单片机控制继电器导通，TPS61202不工作，控制及监测电路由充电器输出 3.6 V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5.2启动电路5.3 监控及控制电路的设计根据题目要在 Es=10V20V时达到Ic 大于(Es-Ec)/(Rs+R。的要求，可得出监测和控制电路的功耗最大不能超过 10mW/ 由此，我选择TI的超低功耗单片机MSP430F44骅为控制核心，其 3.3V时的静态电流为280uA, 4M外部高速晶振下程序正常运行时 的电流为1.3mA,且其部具有3路32倍

13、信号放大能力的16位A/D, 具有多路PWM6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0.1s到5s围任意可调。5.4 电流采样电路的设计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0.5欧的康铜丝，采样电阻两端接差分放大电路，将电流信 号转换成AD可以采样的电压信号，然后送入 MSP430F44鄱进行采 样，处理，显示。差分放大器选用 CMO微功耗高精度运放OPA335, 电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

14、的纹波干扰，较高精度的采到充电电流。6系统软件设计6.1 MSP430单片机简介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MSP4301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，同时部还集成了高精度AD转换器，这将会在一定程度上降低系统的功耗，在此选用MSP430C列MSP430F44帔一款单片机。为了更深入了解MSP43印片机，下面再 具体介绍它的部结构和外部电路。MSP430系列单片机是美国仪器(TI)1996年开始推

15、向市场的 一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed SignalProcessor)。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。MSP430系列单片机是一个 16位的单片机，采用了精简指 令集（RISC）结构，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条核指令以及大量的模拟指 令；大量的寄存器以及片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8MHz晶体驱动下指令周期为125 ns 。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，MS

16、P430系列单片机能在 8MHz晶体的驱 动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的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FFT等）。MSP430系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6us 。超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗， 是因为其在 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，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在 1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流 会在200400uA左

17、右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环( FLL和FLL+ )时钟系 统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器(32768Hz ),有的使用两个晶体振荡器)。由系统时钟系统产生 CPU和各功能所需的时钟。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(AM )和五种低功耗模式(LPM0LPM4 )。在等待方式下，耗电为0.7uA ,在节电方式下，最低可达0.1

18、uA 。系统工作稳定。上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU ,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CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，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 MSP430系列单片机的各成员都集成 了较丰富的片外设。它们分别是看门狗( WDT )、模拟比较器 A、定时器 A ( Timer_A )、定时器 B ( Timer_B )、串口 0、1 ( USART0、1 )、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位AD

19、C、16位Sigma-Delta AD、直接寻址模块( DMA )、端 口 O ( P0 )、端口 16( P1P6 )、基本定时器(Basic Timer )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（Timer_A 和Time r_B ）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、PWM等；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；P0、P1 、P2端口能够接收外部上

20、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200kbps ,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IIC串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（DMA ）模块。MSP430系列单片机的这些片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MSP430系列的主要开发环境是IAR Embedded Workbench。该软件界面友好， 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JTAG方式，下载到部的FLSH里面去。MSF*43c

21、44m funcliondl block diagrnrnd(E 9 0TMSrmlUiTHfyrnim Rwl 博联片1 即 4. *PiInCap4UtwSMCig U*CM iiIIMr# 3jPiTlnufl 11htWI -MuUhWl -i 尸f G* 1J.3 J MUXawa ucnvumcfLCHiannCRJ md vitda3CG-FlBfl.rcxtog sM11Hb KJrtTMv图6.1 MSP430部的功能框图因为我只要用到MSP430勺AD模块，所以只用单片机的P6.0端 口，其它都是单片机的部资源。根据系统要完成的功能，程序共分 为时钟模块，定时器模块，ADC

22、专换模块，中断模块。下面分别介绍 它们的程序。时钟模块：因为MSP43倍B有很多日t钟，如 DCO,ACLK,SMCLK。但是根据 系统要求，最终选用SMCL作为系统时钟，它的初始化程序如下： void InitClk()(FLL_CTL0|=XCAP18PF;/Set load capacitanceFLL_CTL1&=XT2OFF/Turn on XT2,XT2is off if it is not used FLL_CTL1 = SELS; Select SMCLK source as XT2CLK定时器模块：MSP430部有丰富的定时器，我选用定时器 B作为ADCW羊的时钟，也作为监控

23、电路工作间歇的时钟源。它的初始化程序如下：void InitTimerB()(TBCTL = TBSSEL_2 + MC_2;/ SMCLK, continuous modeTBCCR0 = 50000;TBCCTL0 = CCIE; / CCR0 interrupt enabledADC1膻块：MSP430F449部有12位的ADC专换模块，选用部的参考电压，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：void InitADC12()(int i;ADC12CTL0=SHT0_2+ADC12ON+REFON;ADC12CTL0 |=REF2_5V;/尴择 2.5V 参考电压A

24、DC12CTL1 |=SHP; / Use sampling timerADC12CTL0 |=ENC; / 允许转换位ADC12MCTL0=SREF_1;/select ADC nternel referencefor ( i=0; i0。(3) .当Rs=1Q , Es=1.2V3.6V时,充电电流Ic的值如下表:Es(V)1.232.042.573.103.62Ic(mA)38.670.295.3131.7142.2(4),能向电池充电的最低 Es(Ic0)如下表:条件Es1.1V1.1VEs3,6V最小Es(V)0.881.14.1.Es从0逐渐升高时，能自动启动Es的充电功能的值:条

25、件Es1.1V1.1VEs3,6V最小Es(V)0.921.13.88(6)当Es = 0 V , Ec=3.6 V 时，电池的放电电流Ic=0.35mA.(7)监控和控制电路工作间歇设定围能在 0.1S5s程控设定，步进0.5S。7.4结果分析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，具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TI低功耗单片机MSP430F449作为控制核心，结 合MO区动TPS2836低导通电压开关管IR

26、F7822,设计弁制作 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.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程M.电子工业，2001.2周志敏,周纪海,纪爱华.便携式电子设备电源设计与应用M.人们邮电,20073周志敏，周纪海，纪爱华.充电器电路设计与应用M.人们邮电,20054户川治郎.实用电源电路设计M.天津社会科学,2006.5周志敏，纪爱华.集成稳压电源电路图集M.中国电力,2008.6建华，艳琴，翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M.清华大学,2004.7谭浩强.C程序设计（第二版

27、）M.清华大学,1999.8光飞.单片机课程设计实例指导M.:航空航天大学，2004.9明义.电子技术课程设计使用教程M.:中南大学2002.10永河，沙河，向阳.电子线路CAD用教程M.:电子科技大学，2001.11 Donald A. Neamen. Electronic circuit analysis and designM.TsinghuaUniversity Press and Springer Verlag.2002.12赛尔吉欧佛朗哥（Sergio Franco ）,树棠等译.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计（第3版）：交通大学2004.8.附录：附录A:系统电路图Com

28、ponent_1JP2IRF78229JP7VOD1TJP10CAR3C3CAP+ C4CAP3R2CY R33-pwm inJP13.6vIRF7822INBHR1syncPGND DTVCCHOBLLO：_S：.10R2U?J2836RES2 1图（A1）1S3.0-F1H -CHUr-lnl 白 I T.- ir T- * I I s T 9 I I i 2 TtITitJIJITIJIN M 司用w n三f等至一，三i二三a 1- ? si B 一 1$ 3 下甲 JH J 1 22i ffifc r- 上档 *t+一 =* - * - nbc- q* M ! m JM M F* H

29、(Ta rd f. iTj fl 4 nJ h= rJ i L I MamE-匹心业 M*丹|儿孙 BD W3HI） 冷曲31rs *?IftVjcZDVMF4.|jiJi(UMZM_*E nF*TJi- IHS rv *f$ 中八曲|电科I; Mi k i wmJmltK.?ADCilJLt 程 MIL” PT SlitH*1/ ?二= ，t F i一 EETEG*父,/，二三一dll T 第J ,能=. 明1 工 Tnllvl.*5UJ-MEM1JL Ehlm is nW国 wt :t 二5f 二吞 sta.MiITT SrLKKLl WVHJ - h T。Bib附录B:程序清单#incl

30、ude typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint;uint counter=0;uint flag=0,flag1=0,flag2=0,flag3=0,flag4=0,flag5=0,flag6=0;uint result=0;void Delay(uint timer)while(timer-);void Delay_S(uint count)while(count-)Delay(5000);/初始化时钟函数void InitClk()volatile uint i;FLL_CTL0|=XCAP18PF;/Set load

31、capacitanceFLL_CTL1&=XT2OFF; /Turn on XT2,XT2 is off if it is not used for MCLK or SMCLK.FLL_CTL1 = SELS; / Select SMCLK source as XT2CLKP1SEL |=BIT4;/初始化定时器A函数void InitTimerA()TACTL=TASSEL_2+MC_1+TACLR寸器时钟源是SMCLM数器工作在增计 数模式CCR0 =396;CCTL1 |=OUTMOD_7;PWMJ出模式CCTL2 |=OUTMOD_7;PWM俞出模式P1DIR |=BIT2;/P1.2

32、端口的管月却为输出，也就是P1.2输出PWMfcP1SEL |=BIT2;/PWM 输出，第二功能P1DIR|=BIT0;/TPS2836 的DT口的控制弓用却设计输出， SYNCP1OUT|=BIT0;/初始化时不同步整流，输出高电平void InitPWM()CCR1=198;/50%CCR2=198;Delay_S(2);CCR1=178;/45%CCR2=218;Delay_S(2);CCR1=158;/40%CCR2=238;Delay_S(2);CCR1=138;/35%CCR2=258;Delay_S(2);CCR1=118;/30%CCR2=278;Delay_S(2);CCR1=100;/25%CCR2=296;Delay_S(2);