《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種電能收集充電器的研制
一種電能收集充電器的研制
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第3期
雷 丹1,趙 金2
1.華中科技大學(xué) 武昌分校機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢430064; 2.華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系,湖北 武漢430068
摘要: 以電能收集充電器直流變換器為核心,引進(jìn)新型的DC-DC變換芯片,即降壓芯片TPS5430和升壓芯片TPS61200,組成DC-DC變換器電路對(duì)輸入電壓進(jìn)行分段變換,以提高較低功率時(shí)的系統(tǒng)效率。在輸入電壓很小的情況下,實(shí)現(xiàn)了高效能地對(duì)可充電電池正常充電。其輸入直流電壓范圍可低至0.3 V、也可高達(dá)20 V,且在電源電壓從0 V逐漸升高時(shí),能自動(dòng)啟動(dòng)充電系統(tǒng)。
中圖分類(lèi)號(hào): TM615
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)03-0058-03
The development of energy collecting charger
Lei Dan1,Zhao Jin2
1.Department of Automation,Huazhong University of Science and Technology Wuchang Branch,Wuhan 430064,China; 2.Department of Control Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430068,China
Abstract: This energy collecting charger as DC converter charger for core,introducing new DC-DC transform chip TPS5430 and TPS61200 chips that composed of DC-DC converter segmented transform input voltage in order to improve the low power efficiency of the system. This system is realized that when the input voltage under the condition but it can normal charge the rechargeable batteries, its input DC voltage range can be low to 0.3 V, also can 20V up, when the discharge current voltage from 0 V gradually rises,it can automatically start the system.
Key words : DC-DC converter;C8051F330;TPS5430;TPS61200


    當(dāng)前,便攜式電子設(shè)備進(jìn)入千家萬(wàn)戶,蓄電池已成為便攜式電子設(shè)備中不可或缺的組成部分,而充電器在這其中扮演著重要的角色。電池要發(fā)揮其設(shè)計(jì)所需的性能不僅取決于它的設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝,而且很大程度上要依賴于充電器的性能。電能收集充電器是一種環(huán)保型充電器,能將其他直流電源中極少的電能收集起來(lái)充入電池中,以減少能源浪費(fèi)。本文研制的電能收集充電器就是基于這一思想設(shè)計(jì)的。采用TI公司的TPS5430TPS61200兩款新型直流變換芯片作為變換核心,進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)制作。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了輸入電壓為0.3 V~20 V時(shí),充電器輸出電壓可穩(wěn)定在3.6 V,能高效地對(duì)可充電電池充電。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)功能指標(biāo)

    系統(tǒng)研制的目的是實(shí)現(xiàn)輸入電壓在0.3 V~20 V下,高效能地對(duì)可充電電池充電,其基本結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。


1.2 總體方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F330進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,直流電源變換器由DC-DC集成升壓芯片TPS61200和DC-DC集成降壓芯片TPS5430組成。當(dāng)Es<3.6 V時(shí),單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)切換到由TPS61200組成的低輸入電壓直流升壓電路;當(dāng)3.6 V<Es<6 V時(shí),通過(guò)C8051F330控制限流開(kāi)關(guān)TPS2010閉合,直接輸出持續(xù)的直流充電電流;當(dāng)6 V<Es<20 V時(shí),單片機(jī)控制TPS5430使能有效,切換到TPS5430直流降壓電路,以較高效率向充電池輸出電能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 降壓電路

    當(dāng)10 V<Es<20 V時(shí),選用DC-DC降壓芯片TPS5430組成降壓電路,TPS5430輸入電壓范圍為5.5 V~40 V,內(nèi)部集成導(dǎo)通電阻為110 m&Omega;的MOS管,固定開(kāi)關(guān)頻率500 kHz,最高效率可達(dá)到95%。電路如圖3所示。

    設(shè)定圖3降壓電路輸入電壓為10 V~20 V,輸出電壓3.6 V~5 V可調(diào),電感值為100 &mu;H。濾波電容取值時(shí)要考慮實(shí)際應(yīng)用中電路的穩(wěn)定性(取值不當(dāng)容易引起電路自激),同時(shí)為了減小輸出紋波,電容ESR值應(yīng)盡量小。因此在降壓電路中采用100&mu;F的瓷片電容,二極管采用正向?qū)▔航抵挥?.3 V的SR360肖特基二極管,以降低損耗。
2.2 升壓電路
    當(dāng)Es<3.6 V時(shí),選用DC-DC升壓芯片TPS61200,TPS61200輸入電壓范圍為0.3 V~5.5 V,輸出可調(diào)電壓最大可達(dá)5.5 V。選取TPS5430可以使啟動(dòng)電壓很低,同時(shí)為了提高效率,使充電電流升高,采用單片機(jī)控制三個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)分段控制,開(kāi)關(guān)管可接不同限流電阻,具體電路如圖4所示。

    設(shè)定圖4升壓電路輸入電壓為0.3 V~3.6 V,輸出電壓為5 V,在圖4中電感值取3.3 &mu;H;輸入電容建議取最小值為4.7 &mu;F的陶瓷電容;輸出電容根據(jù)COUT(MAX)=5&times;L(&mu;F/&mu;H)取值為10&mu;F。
2.3 檢測(cè)控制電路
    超低功耗單片機(jī)C8051F330為監(jiān)控核心,采用間歇工作方式,可進(jìn)一步降低能耗,改善充電效果。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程
    本系統(tǒng)每0.5 s通過(guò)A/D對(duì)直流電源輸出電壓Es和充電電流采樣一次,并通過(guò)液晶顯示電壓數(shù)值和電流值,同時(shí)判斷Es值的大小,控制切換到對(duì)應(yīng)的直流變換器,剩余時(shí)間內(nèi)單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式以降低功耗。系統(tǒng)程序流程圖如圖5、圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)
4.1 測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)

    具體測(cè)試時(shí),采用穩(wěn)壓穩(wěn)流電源作為輸入直流電壓Es,以功率電阻模擬充電器,調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電壓Es,手動(dòng)改變內(nèi)阻Rc,用萬(wàn)用表和示波器測(cè)試電壓與電流記錄數(shù)據(jù)并分析是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
    (1)10 V<Es&le;20 V,Rc=100 &Omega;,設(shè)定Es為20 V,然后逐步減小電壓Es至11 V,用示波器檢測(cè)輸出電壓Ec,并記錄雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的顯示電流,測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

   

4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
    利用示波器檢測(cè)直流輸入電壓和輸出電壓波形,考察電壓變換后的波形質(zhì)量。升壓變換時(shí)輸入、輸出電壓對(duì)比如圖7、圖8所示。

    降壓變換時(shí)用電壓靈敏度為5 V/CM的示波器和電壓靈敏度為1 V/CM的示波器對(duì)輸入、輸出電壓進(jìn)行了對(duì)比,質(zhì)量同樣較好。
4.3 數(shù)據(jù)分析
    從以上記錄的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知,在20 V&ge;Es&ge;0.3 V時(shí),輸出電壓基本穩(wěn)定在3.6 V;充電電流的峰值出現(xiàn)在Es為3.0 V左右時(shí),充電電流較大。在3.0 V<Es<5.5 V和15 V<Es<20 V兩個(gè)分段時(shí),充電電流狀態(tài)比較穩(wěn)定,各項(xiàng)性能都較好,充電電流和輸出電壓均能達(dá)到指標(biāo)要求。
    本文研制了一種環(huán)保型的電能收集充電器,能將其他直流電源中極少的電能收集起來(lái)充入需要電能的電池中,減少了能源的浪費(fèi)。系統(tǒng)具有便攜、充電器效率高、可靠性高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)在低電壓、高靈感度的場(chǎng)合將擁有很好的應(yīng)用前景,除了用在對(duì)廢舊電池剩余電能的收集外,還可用在太陽(yáng)能充電和電能轉(zhuǎn)移等領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
[1] 周志敏.充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2006.
[2] 周志敏,周紀(jì)海.模塊化DC/DC實(shí)用電路[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.
[3] 楊邦文.實(shí)用電池充電器與保護(hù)器電路集錦[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.
[4] BOSE B K.Evalution of modem power semiconductor devices and future trends of converters[J].IEEE Trans on Industrial Applictions,2009,28(2):53-57.
[5] PEREZ R A.Comparative assessment between linear and switching power supplie sinportable electronic devices[J].IEEE International Symposium.2008,5(11):839-843.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。