【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)在生產(chǎn)中引入修正技術(shù)，保證了輸出電壓的高輸出精度及低溫度漂移。內(nèi)置EN使能端，可控制變換器的工作狀態(tài)，可使它處于關(guān)斷省電狀態(tài)，功耗降至最小。MCC6288是一款BOOST 結(jié)構(gòu)、電壓型PFM控制模式的DCDC轉(zhuǎn)換電路。芯片內(nèi)部包括輸出 電壓反饋和修正網(wǎng)絡(luò)、啟動(dòng)電路、震蕩電路、參考電壓電路、PFM 控制電路、過(guò)流保護(hù)電路以及功率管。MCC6288所需的外部元器件非常少，只需要一個(gè)電感、 的穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。PFM控制電路是MCC6288的核心，該模塊根據(jù)其他模塊傳遞的輸入電壓信號(hào)、負(fù)載信號(hào)和電流信號(hào)來(lái)控制功率管的開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到控制電路恒壓輸出的作用。在PFM控制系統(tǒng)中，固定震蕩頻率和脈寬，穩(wěn)定的輸出電壓是根據(jù)輸入輸出電壓比例以及負(fù)載情況通過(guò)削脈沖來(lái)調(diào)節(jié)在單位時(shí)間內(nèi)功率管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。震蕩電路提供基準(zhǔn)震蕩頻率和固定的脈寬。參考電壓電路提供穩(wěn)定的參考電平。并且由于采用內(nèi)部的修正技術(shù)，保證了輸出電壓精度達(dá)到177。%，同時(shí)由于參考電壓經(jīng)過(guò)精心的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)考慮，使得芯片的輸出電壓的溫度漂移系數(shù)小于100ppm/℃。高增益的誤差放大器保證了在不同輸入電壓和不同負(fù)載電流情況下穩(wěn)定的輸出電壓。為了減小輸出電壓的紋波和噪聲，誤差放大器采用施密特比較器結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備很快的響應(yīng)速度。BOOST結(jié)構(gòu)DCDC轉(zhuǎn)換器的功率損耗主要是由于電感的寄生串聯(lián)電阻、肖特基二極管的正向?qū)▔航?、功率管的?dǎo)通電阻以及控制功率管信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力這四個(gè)方面，當(dāng)然芯片本身消耗的靜態(tài)功耗在低負(fù)載的情況下也會(huì)影響轉(zhuǎn)換效率。為了獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，除了用戶選擇合適的電感、肖特基二極管和電容外，芯片內(nèi)部的功率管導(dǎo)通電阻也非常小。功率管有驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，保證功率管開(kāi)關(guān)時(shí)的上升沿和下降沿很陡，大大減小了開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)的功率損耗。 首先定義： (32)： (33)可計(jì)算得電感值為：，本設(shè)計(jì)中取值為10μH。： (34)可計(jì)算的輸出電容為：14μF，本設(shè)計(jì)中取值為：15μF。：正向?qū)妷旱?、反?yīng)時(shí)間快的肖特基二極管IN5820，峰值反向電壓VRRM =20V，正向平均整流電流IF=3A,正向?qū)▔航礦F=。 以上的濾波電容，用于減小輸出的噪聲。 MCC6288的應(yīng)用電路如圖33所示。圖33 MCC6288應(yīng)用電路 本章小結(jié) 本章主要介紹了基于集成芯片的太陽(yáng)能手機(jī)充電器的硬件電路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了蓄電池充電控制芯片CN3606與放電升壓芯片MCC6288的功能及應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。第4章 基于MPPT的太陽(yáng)能手機(jī)充電器設(shè)計(jì) 第4章 基于MPPT的太陽(yáng)能手機(jī)充電器硬件設(shè)計(jì) 第3章所設(shè)計(jì)的基于集成電路的太陽(yáng)能手機(jī)充電器能夠很大程度上簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，降低耗能，減少生產(chǎn)成本。但是，它也存在一些缺陷：無(wú)法使太陽(yáng)能電池工作在最大功率處，不能夠?qū)崿F(xiàn)真正的智能控制，沒(méi)有顯示設(shè)備，而且集成電路對(duì)電路的散熱要求更高，修理成本高。因而，本章將重點(diǎn)介紹一種以單片機(jī)為核心的能實(shí)現(xiàn)MPPT的太陽(yáng)能手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)。它可以檢測(cè)到電池充電飽和時(shí)的電壓信號(hào)變化，然后精準(zhǔn)地結(jié)束充電。它還有許多的優(yōu)點(diǎn)，如可靠性高、操作簡(jiǎn)單，具有安全性和通用性等, 代表著未來(lái)充電器發(fā)展方向。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要完成的主要任務(wù)是：太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并把電能儲(chǔ)存在蓄電池中，為手機(jī)提供穩(wěn)定的充電電源。具體包括：在恒流充電階段能夠自動(dòng)調(diào)整太陽(yáng)能電池的負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤；太陽(yáng)能充電器在陽(yáng)光下能夠給蓄電池進(jìn)行充電，也可以為手機(jī)充電，蓄電池在任何時(shí)候可以提供穩(wěn)定的電源給手機(jī)充電；系統(tǒng)具有充放電選擇和指示功能[]。 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì) 。本設(shè)計(jì)選擇的太陽(yáng)能電池板的參數(shù)具體為：,最大電壓4V,，峰值功率5W。 。選擇型號(hào)為PL526067M的鋰離子電池作為儲(chǔ)能蓄電池，，額定容量2200mAh。 。輸入電壓的額定值為4V,。 。 。，輸出電壓是5V，輸出電流1A，工作頻率50KHz。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能手機(jī)充電器主要包括以下幾個(gè)部分：太陽(yáng)能電池板、蓄電池充電電路、蓄電池放電電路、控制電路、按鍵及顯示電路。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。 圖41 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 當(dāng)選擇為蓄電池充電模式時(shí)，太陽(yáng)能電池后所加BOOST電路的作用是:，輸出100mA的電流進(jìn)行預(yù)充電；，即在恒流充電階段，首先進(jìn)行太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤(通過(guò)PWM控制變換器的占空比，來(lái)調(diào)整太陽(yáng)能電池的負(fù)載為最佳匹配負(fù)載，通過(guò)直接檢測(cè)太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出電流，連續(xù)計(jì)算太陽(yáng)能電池的輸出功率，通過(guò)尋優(yōu)的方法來(lái)獲得太陽(yáng)能電池的最大輸出功率)，輸出電流會(huì)逐漸上升直至達(dá)到闕值(最大充電電流值1A)，中止最大功率跟蹤開(kāi)始恒流充電，當(dāng)外界條件發(fā)生變化使輸出電流小于最大充電電流時(shí)，則轉(zhuǎn)入最大功率跟蹤直到輸出電流達(dá)到闕值，如此電路在最大功率跟蹤與恒流充電方式自由切換，；在恒壓充電階段。當(dāng)選擇為手機(jī)直接充電時(shí)，BOOST電路將太陽(yáng)能電池的輸出電壓升壓到穩(wěn)定的5V，直接對(duì)手機(jī)充電。 放電電路是BOOST升壓電路，將蓄電池輸出的電壓升壓到5V，為手機(jī)提供穩(wěn)定的電源進(jìn)行充電。 控制電路的核心器件是單片機(jī)，具體的電路包括:單片機(jī)外圍電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路?？梢愿鶕?jù)采樣的太陽(yáng)能電池輸出的電壓與電流信號(hào)，調(diào)節(jié)BOOST電路占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能最大功率跟蹤和蓄電池充電控制；可以根據(jù)蓄電池兩端電壓信號(hào)的檢測(cè)判斷是否可以充放電，保護(hù)蓄電池；可以根據(jù)蓄電池輸出電壓信號(hào)的檢測(cè)，調(diào)節(jié)放電電路BOOST電路占空比使輸出電壓穩(wěn)定。 具體硬件電路的設(shè)計(jì) 基于MPPT的蓄電池充電控制電路設(shè)計(jì)圖42 最大跟蹤電路圖 太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤電路如圖42所示，包括了屏蔽二極管、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路以及BOOST電路。 (1)屏蔽二極管 屏蔽二極管的作用是用來(lái)防止太陽(yáng)能電池輸出電壓低于蓄電池兩端電壓時(shí)，蓄電池向太陽(yáng)能電池倒送電能從而消耗蓄電池的能量并導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板發(fā)熱的情況。屏蔽二極管的選型為：采用肖特基二極管RHD31R40，其峰值反向電壓VRRM =40V，正向平均整流電流IF=3A,正向?qū)▔航礦F=。 (2)BOOST電路設(shè)計(jì) 綜合考慮單片機(jī)的時(shí)鐘頻率、PWM分辨率、電感體積、電路損耗以及噪聲干擾等因素，本設(shè)計(jì)選擇的開(kāi)關(guān)頻率為50KHz。 直流升壓電感的設(shè)計(jì)目標(biāo)是紋波電流不超過(guò)某個(gè)要求值，本設(shè)計(jì)中按照經(jīng)驗(yàn)以直流側(cè)額定電流的20%作為紋波電流的上限。BOOST電路在連續(xù)工作模式下有: (41) (42)由式(41)和式(42)可得： (43) ，紋波電流達(dá)到最大，可得電感的計(jì)算公式： (44)式中 Vin——太陽(yáng)能電池的輸出電壓； Vout——BOOST電路的輸出電壓； D——占空比； T——周期； f ——開(kāi)關(guān)頻率； Ip——電感紋波的峰值電流； Ipmax——電感紋波最大峰值電流。將參數(shù)Vout=8V，Ipmax=，f=50KHz代入式(44)可以計(jì)算出電感L=，本設(shè)計(jì)取電感值為47μH。 為了減小電感紋波電流對(duì)太陽(yáng)能電池板的沖擊，需要在BOOST電路的輸入端加入一個(gè)電容，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在電感紋波電流達(dá)到最大的情況下，電容上的紋波電壓不能超過(guò)輸入電壓的1%，在連續(xù)工作模式下，電感與電容能量相互傳遞，可以得到以下計(jì)算公式： (45) 即： (46)將參數(shù)L=47μH，I=1A，Ipmax=，Vin=4V代入公式(46)中，計(jì)算得C=。 輸出濾波電容的選擇要滿足輸出電壓紋波的要求，本設(shè)計(jì)要求輸出電壓紋波不超過(guò)輸出電壓的1%。輸出電壓紋波由輸出電容Co和等效電阻Rco確定，而CoRco的值一般為常數(shù)，本設(shè)計(jì)取為65μF，因此輸出電容的選擇通過(guò)選擇合適的Rco來(lái)確定。由以下公式： (47) (48)可計(jì)算出Co=39μF，因此，本設(shè)計(jì)的輸出濾波電容取為39μF。 考慮開(kāi)關(guān)管流過(guò)的電流的最大值與關(guān)斷時(shí)承受的最大反向電壓，本設(shè)計(jì)最終選擇N溝道的MOSFET管NCE3010，其額定電壓為VDS=30V，額定電流為ID=10A。 本設(shè)計(jì)二極管的選型為快恢復(fù)二極管IN5822,其反向峰值電壓VRRM =40V，正向平均整流電流IF=3A。 蓄電池放電電路 本設(shè)計(jì)選用BOOST電路為蓄電池的放電電路。，然后為手機(jī)充電。而且為了給輔助電源提供能量以及對(duì)蓄電池的保護(hù)，利用單片機(jī)關(guān)斷放電電路。放電電路如圖46所示。圖46 BOOST放電電路 。將參數(shù)Vin=，Vout=5V，Ipmax=，f=50KHz代入式(44)中，可計(jì)算得升壓電感L=。將參數(shù)ΔVO=，ΔIL=，代入(47)、(48)，可計(jì)算得濾波電容為520μF。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際常用值，本設(shè)計(jì)選取22μH的電感，560μF的電容。二極管選擇的型號(hào)為快恢復(fù)二極管IN5817,其反向峰值電壓VRRM =20V，正向平均整流電流IF=1A。開(kāi)關(guān)管選擇的型號(hào)為N溝道MOSFET管NCE3010，其額定電壓為VDS=30V，額定電流ID=10A。 在MATLAB中對(duì)蓄電池的放電電路進(jìn)行仿真，仿真的電路模型如圖47所示，仿真結(jié)果如圖48所示。圖47 放電電路simulink模型圖48(a)蓄電池輸出電壓波形圖48(b) BOOST輸出電流波形 圖48(c) BOOST輸出電壓波形 從仿真結(jié)果可以看出，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，當(dāng)鋰離子電池輸出的電壓降低時(shí)，可以保證輸出電壓與電流的穩(wěn)定，保證了手機(jī)充電的穩(wěn)定性。 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的核心器件是單片機(jī)，主要功能是控制信號(hào)的采集、按鍵的操作以及控制顯示器的輸出。由于AT89C51單片機(jī)具有低電壓、高性能的特點(diǎn)，含有定時(shí)器能夠控制系統(tǒng)定時(shí)采集PWM脈沖控制信號(hào)、3個(gè)8路的I/O口用來(lái)連接按鍵、顯示以及數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，能夠滿足本系統(tǒng)的控制要求，所以本設(shè)計(jì)選取型號(hào)為AT89C51的單片機(jī)，完成控制數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析處理后生成PWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，并將數(shù)據(jù)送至顯示電路顯示的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程的智能控制。 (1)單片機(jī)AT89C51 AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)。包含中央處理器(CPU)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、程序存儲(chǔ)器(ROM)、中斷系統(tǒng)、串行接口、并行接口和計(jì)數(shù)/定時(shí)器等幾大單元。單片機(jī)的引腳圖如圖49所示。單片機(jī)AT89C51的管腳說(shuō)明如下：VCC——供電電壓；GND——接地端； P0口——P0口是一個(gè)8位雙向I/O口。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位； P1口——P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故；P2口——P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口； P3口——P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口；RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間；PSEN——外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每圖49 單片機(jī)AT89C51引腳圖個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)； XTAL1——反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入； XTAL2——來(lái)自反向振蕩器的輸出。 單片機(jī)的具體工作過(guò)程是：上電復(fù)位，查詢按鍵確定功能，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序并分析計(jì)算PWM占空比，開(kāi)始輸出電流或電壓，并將數(shù)據(jù)送至顯示電路顯示。在輸出過(guò)程中通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)檢測(cè)輸出電流或電壓，與設(shè)定值比較后調(diào)節(jié)PWM占空比，使輸出趨于設(shè)定值。在電池充電過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)電流大小而確定電池充電多少，從而改變充電方式或決定是否停止充電。 單片機(jī)具備了CPU、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和輸入輸出口等硬件資源之后，還需要供電電源、時(shí)鐘觸發(fā)和復(fù)位等控制的支持才能正常工作。單片機(jī)復(fù)位電路的極性電容的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用10uF，容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。單片機(jī)晶振電路