一種電能收集充電器的研制

雷丹，趙金

(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)

當(dāng)前，便攜式電子設(shè)備進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，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(lài)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TPS5430和TPS61200兩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。

主要指標(biāo)如下:

(1)在Rs=100 Ω、Es=10 V～20 V時(shí)，充電電流Ic＞(Es-Ec)/(Rs+Rc)。

(2)在Rs=100 Ω時(shí)，向電池充電的Es盡可能低。

(3)在Rs=1 Ω、Es=1.2 V～3.6 V時(shí)，以盡可能大的電流向電池充電。

(4)當(dāng)Es≥1.1 V時(shí)，取Rs=1 Ω；當(dāng)Es＜1.1 V時(shí)，取Rs=0.1 Ω，向電池充電的Es盡可能低。

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 mΩ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 μH。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 μF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 μH；輸入電容建議取最小值為4.7 μF的陶瓷電容；輸出電容根據(jù)COUT(MAX)=5×L(μF/μH)取值為10 μF。

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≤20 V，Rc=100 Ω，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。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)表(10 V＜Es≤20 V)

(2)1.1 V＜Es≤10 V，Rc=1 Ω，當(dāng)5.5 V＜Es≤10 V，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)表(5 V＜Es≤10 V)

(3)當(dāng)1.1 V＜Es≤5.5 V，記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)表(1.1 V＜Es≤5.5 V)

(4)Es≤1.1 V，Rc=0.1 Ω，記錄數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 測(cè)量數(shù)據(jù)表(Es≤1.1 V)

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≥Es≥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。

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