電能收集充電器設(shè)計(jì)方案(已修改)
2025-05-07 13:29 本頁(yè)面
【正文】 電能收集充電器設(shè)計(jì)方案隨著社會(huì)的發(fā)展，能源已經(jīng)成為當(dāng)今的社會(huì)信息化進(jìn)程的加快對(duì)電力、信息系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。在人們的生產(chǎn)、生活中，各種電氣、電子設(shè)備的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，越來(lái)越多的工業(yè)生產(chǎn)、控制、信息等重要數(shù)據(jù)都要由電子信息系統(tǒng)來(lái)處理和存儲(chǔ)。而各種用電設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，如果在工作中間電源突然中斷，人們的生產(chǎn)和生活都將受到不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于由交流供電的用電設(shè)備，為了避免出現(xiàn)上述不利情況，必須設(shè)計(jì)一種電源系統(tǒng)，它能不間斷的為人們的生產(chǎn)和生活提供以安全和操作為目的可靠的備用電源。為此，都使用了可蓄電池。這樣，即使電力網(wǎng)停電，也可利用電能收集充電器進(jìn)行儲(chǔ)蓄電能。近年來(lái)，節(jié)能環(huán)保理念深入人心，對(duì)半導(dǎo)體IC設(shè)計(jì)和應(yīng)用也提出了更高的要求。2008年11月，五大手機(jī)制造商諾基亞、三星、索尼愛(ài)立信、摩托羅拉和LG電子聯(lián)合發(fā)布了手機(jī)充電器的五星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。例如，待機(jī)功耗小于或等于30mW的手機(jī)充電器屬于最高星級(jí)。相反，如果待機(jī)功耗≦500mW，則充電器標(biāo)簽上將無(wú)任何星級(jí)標(biāo)記。為適應(yīng)手機(jī)充電器的技術(shù)革新和發(fā)展，新近半導(dǎo)體制造有限公司于近期推出一種新的電源控制芯片AP3768。 在出現(xiàn)低壓和小電流的情況下可以實(shí)現(xiàn)小電流的高效收集，在太陽(yáng)能電池處于陰雨天或風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于小風(fēng)情況下，這些發(fā)電系統(tǒng)只能輸出較低的電壓，同時(shí)電流也比較小，在這種情況下，通常傳統(tǒng)的直接向蓄電池充電的控制器因電壓達(dá)不到蓄電池充電電壓而難以向蓄電池實(shí)現(xiàn)充電，或者達(dá)到充電電壓但電流過(guò)小而損失太大達(dá)不到充進(jìn)蓄電池的目的。因此，研究電能收集充電器很有現(xiàn)實(shí)意義。2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電能收集充電器。該充電器的核心為直流電源變換器，它從一直流電源中吸收電能，以盡可能大的電流充入一個(gè)可充電池。直流電源的輸出功率有限，其電動(dòng)勢(shì) Es 在一定范圍內(nèi)緩慢變化，當(dāng) Es 為不同值時(shí)，直流電源變換器的電路結(jié)構(gòu)，參數(shù)可以不同。監(jiān)測(cè)和控制電路由直流電源變換器供電。由于 Es 的變化極慢，監(jiān)測(cè)和控制電路應(yīng)該采用間歇工作方式,以降低其能耗。可充電池的電動(dòng)勢(shì) Ec=，內(nèi)阻 Rc=。 設(shè)計(jì)要求 基本要求 （1）在 Rs=100?，Es=10V～20V 時(shí)，充電電流 Ic 大于（EsEc）/（Rs+Rc）。（2）在 Rs=100Ω時(shí)，能向電池充電的 Es 盡可能低。（3）Es 從 0 逐漸升高時(shí)，能自動(dòng)啟動(dòng)充電功能的 Es盡可能低。（4）Es 降低到不能向電池充電，最低至0時(shí)，盡量降低電池放電電流。（5） s～5s。 發(fā)揮部分 （1）在 Rs=1?，Es=～ 時(shí)，以盡可能大的電流向電池充電。 （2）能向電池充電的 Es 盡可能低。當(dāng) Es≥ 時(shí)，取 Rs =1?；當(dāng) Es＜ 時(shí)，取 Rs =。 （3）電池完全放電，Es 從0逐漸升高時(shí)，能自動(dòng)啟動(dòng)充電功能（充電輸出端開(kāi)路電壓＞，短路電流＞0）的 Es盡可能低。當(dāng) Es≥ 時(shí)，取 Rs =1?；當(dāng) Es＜，取 Rs=。 （4）降低成本。 （5）其他。 3 設(shè)計(jì)方案的選擇與論證 方案選擇和論證本題目要求制作一個(gè)電能收集器，從輸出0v～20v電壓（內(nèi)阻隨功率變化）的直流電源吸收能量，給模擬電池充電。，用吸入型電源模擬充電電池。方案一:用分離元件完成電路設(shè)計(jì)。利用專業(yè)的PWM波驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)MOS管，完成DCDC的變換?？梢苑奖憧刂戚敵鲭妷?，但是驅(qū)動(dòng)MOS管首先需要較大電壓，無(wú)法滿足題目中電源電壓變動(dòng)范圍大的要求而且轉(zhuǎn)換效率較低，功耗大，輸出電壓中的紋波大，對(duì)硬件系統(tǒng)要求高。方案二：CuK變換器，CuK型變換器輸出電壓可通過(guò)公式（1）計(jì)算得到，能量存儲(chǔ)和傳遞同時(shí)在兩個(gè)開(kāi)關(guān)期間和兩個(gè)環(huán)路中進(jìn)行，這種對(duì)稱型可以使它達(dá)到較高的效率，兩個(gè)電感適當(dāng)耦合可以理論上達(dá)“零紋波”，但是該方案對(duì)電容要求較高，且需兩個(gè)電感，成本高，同時(shí)輸入輸出相對(duì)地不同，控制電路相對(duì)復(fù)雜。公式（1）： CuK變換器方案三：BUCK變換器與BOOST變換器組合，在Es=10V～20V 時(shí)，采用BUCK電路實(shí)現(xiàn)功能，在ES，開(kāi)關(guān)切換到BOOST電路工作。該方案電路原理簡(jiǎn)單，檢測(cè)與控制電路簡(jiǎn)單且功耗能降到最低，可加入同步整流技術(shù)，大大提高系統(tǒng)效率，但是成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。 BUCK變換器與BOOST變換器方案四：?jiǎn)味朔醇ぷ儞Q器，將變壓器的原邊地和副邊地連接，輸入輸出共地，可以方便信號(hào)取樣，輸入輸出關(guān)系式見(jiàn)公式（2），而且方案成本低，電路簡(jiǎn)單，可以防止電流倒灌，在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)能正常工作，結(jié)合同步整流技術(shù)，效率能達(dá)到90%以上，基本達(dá)到題目要求。但高頻變壓器設(shè)計(jì)是該方案的關(guān)鍵。公式（2）： 單端反激變換器為了盡可能的降到成本，提高效率，增加可行性，我選擇方案四來(lái)制作充電器，并采用同步整流技術(shù)。 控制方法方案論證分析題目，要在Es=10V～20V時(shí)達(dá)到Ic 大于（EsEc）/（Rs+Rc），%，尤其在Es=10v，只允許監(jiān)控部分有10mw的功耗，只有同步整流能達(dá)到要求。同時(shí)為了獲取盡可能大的充電電流，就要求充電器能夠傳輸最大功率，根據(jù)最大功率傳輸定理，當(dāng)充電器獲得最大功率時(shí)，充電器的輸入電壓Uin=ES/2,，假設(shè) DC/DC 轉(zhuǎn)換效率恒定，則可以認(rèn)為當(dāng)輸出電流最大時(shí)即獲得最大功率。根據(jù)以上分析，我們考慮了以下兩種控制方案。 方案一：采用PWM集成芯片 ，該控制環(huán)路主要由PWM調(diào)制器TL5001，DC/DC拓?fù)?，電流采樣處理電路和單片機(jī)組成，MCU取出DC/DC變換器電流信號(hào)來(lái)改變TL5001 的基準(zhǔn)，TL5001輸出占空比變化，從而改變輸出電流，以達(dá)到追蹤最大電流的目的。該方案能做到實(shí)時(shí)采樣，但功耗較大。 缺說(shuō)明 方案二：采用單片MCU實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制 ，因?yàn)镋S的變化極慢，不要求反饋的實(shí)時(shí)性，所以PWM可由單片機(jī)提供，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到輸出電流變化時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié) PWM 的占空比追蹤到最大電流，且單片機(jī)的采樣和監(jiān)控電路都工作于間歇模式，預(yù)設(shè)每隔1S處理一次，~5 S 范圍內(nèi)可調(diào)。
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