电能收集充电器.docx
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电能收集充电器
学科分类号0712
本科生毕业论文（设计）
题目（中文）:
电能收集充电器
（英文）:
PowerCollectionCharger
学生姓名：
学 号：
系 别：
专 业：
指导教师：
起止日期：
怀化学院本科毕业论文（设计）诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业论文（设计）作者签名：
年月日
电能收集充电器
摘要
该设计使用TPS2836和低功耗单片机MSP430F449，采用单端反激变换器，加入同步整流技术，转换效率高达90%以上，且具有最大电流跟踪能力；采样和监测采用间歇工作方式，工作间歇可以在0.1s-5s通过按键设定。
ES=10v～20v，RS=100Ω时，最大锁定电流220MA；RS=1Ω，ES在1.2v～3.6v之间变化，给电池的最大充电电流为710MA；RS=0.1Ω，0.35v0。
关键词
单端反激变换器；同步整流；最大电流跟踪
PowerCollectionCharger
Abstract
TheTPS2836andlowpowerdesignusingmicrocontrollerMSP430F449,usingsingle-endedflybackconverter,thesynchronousrectificationtechnologyandtheconversionefficiencyashighas90%,andhasamaximumcurrenttrackingability;samplingandmonitoringoftheuseofintermittentwork,canbeintermitted0.1s-5sthroughthekeysettings.ES=10v~20v,RS=100Ω,themaximumlockcurrent220MA;RS=1Ω,ESvaryin1.2v~3.6v,thebattery'smaximumchargecurrent710MA;RS=0.1Ω,0.35v0.
Keywords
Flybackconverter;Synchronousrectification;maximumcurrenttrack
1前言
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，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的手机充电器属于最高星级。
相反，如果待机功耗≦500mW，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，新近半导体制造有限公司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在一定范围内缓慢变化，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。
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，内阻Rc=0.1Ω。
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=100Ω，Es=10V～20V时，充电电流Ic大于（Es-Ec）/（Rs+Rc）。
（2）在Rs=100Ω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范围为0.1s～5s。
2.2.2发挥部分
（1）在Rs=1Ω，Es=1.2V～3.6V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Es≥1.1V时，取Rs=1Ω；当Es＜1.1V时，取Rs=0.1Ω。
（3）电池完全放电，Es从0逐渐升高时，能自动启动充电功能（充电输出端开路电压＞3.6V，短路电流＞0）的Es尽可能低。
当Es≥1.1V时，取Rs=1Ω；当Es＜1.1V时，取Rs=0.1Ω。
（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0v～20v电压（内阻随功率变化）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。
利用专业的PWM波驱动芯片驱动MOS管，完成DC-DC的变换。
可以方便控制输出电压，但是驱动MOS管首先需要较大电压，无法满足题目中电源电压变动范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，CuK型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3.1CuK变换器
方案三：
BUCK变换器与BOOST变换器组合
如图3.2，在Es=10V～20V时，采用BUCK电路实现功能，在ES<3.6V时，开关切换到BOOST电路工作。
该方案电路原理简单，检测与控制电路简单且功耗能降到最低，可加入同步整流技术，大大提高系统效率，但是成本高，系统复杂。
图3.2BUCK变换器与BOOST变换器
方案四：
单端反激变换器
如图3.3，将变压器的原边地和副边地连接，输入输出共地，可以方便信号取样，输入输出关系式见公式
（2），而且方案成本低，电路简单，可以防止电流倒灌，在很宽的输入电压范围内能正常工作，结合同步整流技术，效率能达到90%以上，基本达到题目要求。
但高频变压器设计是该方案的关键。
公式
（2）：
图3.3单端反激变换器
为了尽可能的降到成本，提高效率，增加可行性，我选择方案四来制作充电器，并采用同步整流技术。
3.1.2控制方法方案论证
分析题目，要在Es=10V～20V时达到Ic大于（Es-Ec）/（Rs+Rc），则要求系统的效率大于92.07%，尤其在Es=10v，只允许监控部分有10mw的功耗，只有同步整流能达到要求。
同时为了获取尽可能大的充电电流，就要求充电器能够传输最大功率，根据最大功率传输定理，当充电器获得最大功率时，充电器的输入电压Uin=ES/2,又因充电器的输出电压恒定为3.6v，假设DC/DC转换效率恒定，则可以认为当输出电流最大时即获得最大功率。
根据以上分析，我们考虑了以下两种控制方案。
方案一：
采用PWM集成芯片
如图3.4，该控制环路主要由PWM调制器TL5001，DC/DC拓扑，电流采样处理电路和单片机组成，MCU取出DC/DC变换器电流信号来改变TL5001的基准，TL5001输出占空比变化，从而改变输出电流，以达到追踪最大电流的目的。
该方案能做到实时采样，但功耗较大。
图3.4图3.5
方案二：
采用单片MCU实现PWM调制
如图3.5，因为ES的变化极慢，不要求反馈的实时性，所以PWM可由单片机提供，当单片机检测到输出电流变化时通过调节PWM的占空比追踪到最大电流，且单片机的采样和监控电路都工作于间歇模式，预设每隔1S处理一次，在0.1S~5S范围内可调。
综合考虑控制电路的功耗，成本及可行性，我们选择方案二。
4理论分析与参数计算
4.1提高电源效率的分析与计算
图4.1参数计算等效电路
电源的输出功率有限，设负载等效电阻R，输出功率（充电器输入功率）
要使负载具有最大功率传输，电路应该满足最大功率传输定理：
对于上述充电器传递给等效电阻R的最大功率条件是：
负载R应与电源的内阻Rs相等。
当满足条件时，称为最大功率匹配（maximumpowermatch）。
图4.2输出功率与输出电流的曲线
当时输出功率最大：
充电器输出功率:
在Es=10V时，最大输出电压：
Pmax=U2/（4Rs）=10*10/（4*100）=0.25W
输出电流:
Ic>（Es-Ec）/（Rs+Rc）=（10-3.6）/（100+1）=63.3mA
输出功率：
Po>Uo*Io=3.6*0.063=0.23W
转换效率:
η=Po/Pi=（0.23/0.25）*100%=92%
当Es=20V时，最大输出电压：
Pmax=U2/（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：
Po>Uo*Io=3.6*0.163=0.587W
转换效率:
η=Po/Pi=（0.587/1）*100%=58.7%
所以在最理想的情况下，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Id>Ic（如下图所示）,
图4.3模拟可充电电池
所以Rd
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