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(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=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(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,在很宽的输入电压围能正常工作,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
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围可调。
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
Ic>
(Es-Ec)/(Rs+Rc)=(20-3.6)/(100+1)=162.3mA
Uo*Io=3.6*0.163=0.587W
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<
Ec/Id=3.6/0.16=22.5Ω,但是,Rd过小会使Ec输出功率太大,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10v~20v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Io<
Ioc时电感工作于断续状态,不使能同步整流,当Io>
Ioc时,使能同步整流。
变压器设计如下:
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。
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。
图5.1系统硬件电路
图中TPS2836的1脚是PWM波的输入端,经部反相分别从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。
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。
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MSP430F449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。
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。
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125ns。
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,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)。
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1.8~3.6V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。
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。
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,下载到部的FLSH里面去。
图6.1MSP430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。
时钟模块:
因为MSP430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:
voidInitClk()
{
FLL_CTL0|=XCAP18PF;
//Setloadcapacitance
FLL_CTL1&
=~XT2OFF;
//TurnonXT2,XT2isoffifitisnotused
FLL_CTL1=SELS;
//SelectSMCLKsourceasXT2CLK
}
定时器模块:
MSP430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:
voidInitTimerB()
TBCTL=TBSSEL_2+MC_2;
//SMCLK,continuousmode
TBCCR0=50000;
TBCCTL0=CCIE;
//CCR0interruptenabled
ADC12模块:
MSP430F449部有12位的ADC转换模块,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:
voidInitADC12()
inti;
ADC12CTL0=SHT0_2+ADC12ON+REFON;
ADC12CTL0|=REF2_5V;
//选择2.5V参考电压
ADC12CTL1|=SHP;
//Usesamplingtimer
ADC12CTL0|=ENC;
//允许转换位
ADC12MCTL0=SREF_1;
//selectADCnternelreference
for(i=0;
i<
0x3600;
i++);
//Delayforreferencestart-up
ADC12IE|=BIT0;
//Enableinterrupt
P6SEL|=BIT0;
//P6.0为模拟信号的输入端口,即特殊端口
6.2软件流程图
如下图为整体的软件流程图。
当主功率电路开始工作的时候,控制电路先通过大围的占空比变化,比较对应电流的大小,实现初步判断最大输出电流所处区域,一旦锁定区域后,然后在此区域调节,以找到最大电流点,当输入电压变化时,单片机会自动调节占空比以跟踪最大电流。
流程图说明:
程序初始化时,占空比设为50%,占空比变化的初始状态设为递增方式,间隙时间为5s。
进入主循环中,先测量输出电流,当输出小于1mA时,单片机输出固定50%的占空比,大于1mA时,判断并设置电路工作在升压还是降压模式,并在输出电流大于400mA时,使能TPS2836的同步端,开启同步整流。
图6.2软件流程图
7.系统测试方法、结果和分析
7.1测试仪器
数字万用表,直流稳压稳流电源,数字示波器
7.2测试方案
在本作品的测试中,可充电池中的3.6V电动势是由直流稳压电源提供,Rd是1个20W,10Ω的水泥电阻,用于放电。
如下图9所示:
图7.2测试电路
7.3测试数据
(1).当Rs=100Ω,Es=10V~20V时,充电电流Ic的值如下表:
Es(V)
10.08
12.02
15.05
17.09
19.10
20.00
Ic(mA)
真实值
59.8
79.4
114.1
139.7
159.8
169.9
计算值
63.36
83.16
113.36
133.46
153.46
163.36
(2).当Rs=100Ω,能向电池充电的最低Es=3.88V,充电电流Ic=0.02mA>
0。
(3).当Rs=1Ω,Es=1.2V~3.6V时,充电电流Ic的值如下表:
1.23
2.04
2.57
3.10
3.62
38.6
70.2
95.3
131.7
142.2
(4).能向电池充电的最低Es(Ic>
0)如下表:
条件
Es<
1.1V
1.1V<
3.6V
Es>
最小Es(V)
0.88
1.1
4.1
(5).Es从0逐渐升高时,能自动启动Es的充电功能的值:
0.92
3.88
(6)当ES=0V,Ec=3.6V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0.1S~5S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,其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MOS驱动TPS2836、低导通电压开关管IRF7822,设计并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.
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- 电能 收集 充电器 设计方案