电能收集充电器毕业论文.docx
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电能收集充电器毕业论文
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。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
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。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
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.嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
Keywords
Flybackconverter;Synchronousrectification;maximumcurrenttrack熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
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。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
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。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
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。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
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。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
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）。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
（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。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
（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。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
（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。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
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。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
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。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
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。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
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。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
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。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
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。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
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。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
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）。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
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。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
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詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
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10v～20v内变化时，输出电流会很小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：
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
根据题意，充电器输出最大功率Pout=3.2W,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。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
初级电感：
总的负载功率：
电流峰值：
能量处理能力：
电状态Ke：
磁芯几何参数：
匝数计算：
设气隙长度lg=0.1mm，则初、次级匝数：
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，TPS2836是具有同步整流功能的PWM驱动芯片，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5.5mΩ,损耗小，最大漏源电流Ids=20A，完全能满足题目要求。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
图5.1系统硬件电路
图中TPS2836的1脚是PWM波的输入端，经内部反相分别从5脚和7脚输出两路反相的PWM信号驱动IRF7822，电阻R1和R2是起缓冲作用，防止驱动的电压尖峰击穿MOS管。
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400mA时，3脚置低，使能同步整流，5脚输出PWM波，IRF7822正常工作。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
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=0.5V输入的情况下，稳定输出5V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3.6V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3.6V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。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
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=10V～20V时达到Ic大于（Es-Ec）/（Rs+Rc）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MSP430F449作为控制核心，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，且其内部具有3路32倍信号放大能力的16位A/D，具有多路PWM波输出，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，并由内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范围内任意可调。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
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MSP430F449内部进行采样，处理，显示。
差分放大器选用CMOS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，可以抑制电路中的纹波干扰，较高精度的采到充电电流。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
6系统软件设计
6.1MSP430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MSP430系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，同时内部还集成了高精度AD转换器，这将会在一定程度上降低系统的功耗，在此选用MSP430系列MSP430F449这一款单片机。
为了更深入了解MSP430单片机，下面再具体介绍它的内部结构和外部电路。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。
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。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
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条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内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125ns。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
在运算速度方面，MSP430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）。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
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。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
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1.8~3.6V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200~400uA左右，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。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
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（LPM0~LPM4）。
在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
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。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
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内外设。
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ADC、16位Sigma-DeltaAD、直接寻址模块（DMA）、端口O（P0）、端口1~6（P1~P6）、基本定时器（BasicTimer）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Timer_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内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
方便高效的开发环境目前MSP430系列的主要开发环境是IAREmbeddedWorkbench。
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，下载到内部的FLSH里面去。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
图6.1MSP430内部的功能框图
因为我只要用到MSP430的AD模块，所以只用单片机的P6.0端口，其它都是单片机的内部资源。
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转换模块，中断模块。
下面分别介绍它们的程序。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
时钟模块：
因为MSP430内部有很多时钟，如DCO,ACLK,SMCLK等。
但是根据系统要求，最终选用SMCLK作为系统时钟，它的初始化程序如下：
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
voidInitClk（）
{
FLL_CTL0|=XCAP18PF;//Setloadcapacitance
FLL_CTL1&=~XT2OFF;//TurnonXT2,XT2isoffifitisnotused视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
FLL_CTL1=SELS;//SelectSMCLKsourceasXT2CLK
}
定时器模块：
MSP430内部有丰富的定时器，我选用定时器B作为ADC采样的时钟，也作为监控电路工作间歇的时钟源。
它的初始化程序如下：
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
voidInitTimerB（）
{
TBCTL=TBSSEL_2+MC_2;//SMCLK,continuousmode
TBCCR0=50000;
TBCCTL0=CCIE;//CCR0interruptenabled
}
ADC12模块：
MSP430F449内部有12位的ADC转换模块，选用内部的参考电压，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：
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
voidInitADC12（）
{
inti;
ADC12CTL0=SHT0_2+ADC12ON+REFON;
AD
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