【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 移時(shí)間會(huì)延長(zhǎng) ，緊接著 造成了電荷的 累積不能瞬時(shí)完成，換句話說(shuō)就是電容兩端的電壓初始值為零。 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7 (a) (b) (c) (d) 圖 22 電荷泵工作的基本原理 電荷泵的基本電路有兩種即倍壓型和反壓型， 圖 23(a)描述了倍壓型電路的工作原理。在倍壓型電路中電壓的變化是通過兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)的，在第一個(gè)階段中 S1和 S2處于關(guān)閉狀態(tài)，而 S3和 S4打開 ，可以看出電容處于充電狀態(tài)，充電到一定值，此值就是輸入的電壓。 INccc UUUU ??? ?? 111 () S1和 S2在第二 個(gè)階段中處于打開狀態(tài)，而 S3和 S4閉合，而此時(shí)的輸出電壓變?yōu)榱溯斎腚妷旱?2倍，這是因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芰⒖掏蛔冊(cè)斐傻?。因此此時(shí)的輸出電壓為： INcINout UUUU 21 ??? () 因此由公式 ()可知輸出的電壓變?yōu)榱溯斎腚妷旱膬杀叮瑢?shí)現(xiàn)了倍壓的效果。 圖 23(b)是對(duì)圖 23(a)的進(jìn)一步說(shuō)明，圖 23(b)從電壓和電流的波形進(jìn)行了進(jìn)一步的闡明。由圖 23(a)可知在倍壓電路的第一個(gè)階段中，電路會(huì)給電容 C1充電， C1充電電流的初始值是由 C1兩端電壓的初始值、開關(guān)電阻等決定的。當(dāng) C1充完電后，流過 C1的電流會(huì)減小，而在這段時(shí)間中，電容 HOLDC 通過放電向負(fù)載提供電流。在第二河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 個(gè)階段中 ，放電電流會(huì)通過電容 C1流過負(fù)載，此時(shí)輸出的電容電流變化約 為 OUTI 的二倍， HOLDC 會(huì)線性的充電。當(dāng) C1在輸入和地之間時(shí)， HOLDC 會(huì)放電。 圖 (a)電荷泵電路 圖 (b)相關(guān)波形 圖 23 倍壓電荷泵電路及其工作波形 圖 24描述了電荷泵電壓反轉(zhuǎn)變換器的基本工作原理，由圖可以看出它是由開關(guān)、反相器、電容和振蕩器組成的。 圖 24 電荷泵電壓反轉(zhuǎn)變換器的基本工作原理 開關(guān) S1和 S2是由由 振蕩器輸出的脈沖直接控制的，振蕩器輸出的脈沖經(jīng)過反相器后來(lái)控制模擬開關(guān) S3和 S4。當(dāng)模擬開關(guān) S1和 S2處于閉合狀態(tài)，而 S3和 S4打開 時(shí)， C1會(huì)被充電，而且 C1上的電壓為 V+。 相反當(dāng) S1和 S2打開， S3和 S4閉合時(shí)，電容 C1將會(huì)放電，放出的電會(huì)流向 C2，即 C2會(huì)被充電，但是 C2上的電壓是負(fù)的 V1，此時(shí)的 1VVOUT ?? 。當(dāng)四個(gè)開關(guān) S S S3和 S4在振蕩器的控制下 以較高的頻率開斷和閉合時(shí)，輸出的電壓為負(fù)值。 從圖 24中可以看出 電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器電路不具有穩(wěn)壓的功能，也就是說(shuō)當(dāng) 負(fù)載河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 上有電流通過時(shí)，輸出的電壓也會(huì)有變化。此電路的輸出電流和輸出電壓的變化特點(diǎn)是輸出的電流越大，輸出的電壓也越大。 通常 Ro表示輸出電阻 ，而且 Ro是用來(lái)描述輸出電壓與輸出電流關(guān)系的， Ro可以用以下公式來(lái)描述： IoVRo ?? () 其中 △ V表示輸出電壓的變化，從公式 (3)可以知道當(dāng)輸出電阻 Ro越小時(shí)，表示輸出電壓變化的小而且輸出特性好。 通過 對(duì)電荷泵兩種電路的分析，可以看出電荷泵電路的優(yōu)點(diǎn)，但是電荷泵電路也具 有 以下 缺點(diǎn) ： （ 1）它的輸入與輸出的電壓比是有限的。 （ 2）因?yàn)樗妮斎腚娏鞣逯岛艽?，所以有噪聲? （ 3）它的輸出電壓的不穩(wěn)定要求必須使有電壓負(fù)反饋來(lái)控制從而獲得穩(wěn)定的電壓。 （ 4） 輸出的電壓與負(fù)載有密切聯(lián)系，而且輸出的驅(qū)動(dòng)能力也是有限的。 電荷泵電路的 應(yīng)用 意義和價(jià)值 在現(xiàn)代人類的日常生活中 ，人們?cè)絹?lái)越追求便捷化，因此便攜式的產(chǎn)品受到人們的親睞，這種發(fā)展趨勢(shì)對(duì)電源又有了新的要求。為了迎合這種變化，很多公司對(duì)電源管理提出了很 多的改進(jìn)方案，而且這些解決方案各具特色。解決方案在一些問題上進(jìn)行了反復(fù)的權(quán)衡，例如在效率上、在成本上和尺寸上。 但是尺寸小也帶來(lái)了問題比如尺寸小的產(chǎn)品的散熱能力比尺寸大的產(chǎn)品差，同時(shí)這些便于攜帶的產(chǎn)品一般都具有無(wú)線電電路和射頻接收器，因此對(duì)噪聲很敏感。 因此研究人士發(fā)明了一種切實(shí)可行的電路即電荷泵電路，電荷泵電路具有低噪聲、低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)檫@種電路在 沒有電感時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)一定的升壓，所以克服了由電感帶來(lái)的電磁干擾問題，而且這種設(shè)計(jì)比較的簡(jiǎn)單，成本也低 。但是 電荷泵電路卻在一些場(chǎng)合受到了制約，例如在多檔升 壓電路使用電荷泵時(shí)會(huì)使效率 大大降低了， 同時(shí)因?yàn)閾p耗產(chǎn)生的發(fā)熱量也加大了。 電荷泵電路雖然有以上不足之處，但是在很多場(chǎng)合它依然是人們應(yīng)用的首選。并且當(dāng)前世界很多國(guó)家進(jìn)一步展開了對(duì)電荷泵電路的研究，力求減小電荷泵的噪聲、降低功率損耗、增加輸出功率。 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 Boost變換器的基本理論 Boost變換器也叫作升壓變換器，升壓變化器的作用是將輸出的電壓升高，即輸出的電壓數(shù)值總比輸入的電壓數(shù)值大。由圖 25Boost變換器的電路結(jié)構(gòu)可以知道此電路是由電容、電感、 電阻、 二極管器件和電力電子開關(guān)組成的。 圖 25 Boost變換器 Boost變換器的工作原理如圖 26所示，當(dāng) VT處于接通狀態(tài)時(shí)，流過電感中的電流會(huì)慢慢增大，因此此時(shí)的電感會(huì)儲(chǔ)存能量，同時(shí)流過電阻 R中的電流是由電容 C供給的。在圖 26(a)中 在導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束以后， VT會(huì)處于斷開狀態(tài)，而此時(shí)的電感會(huì)釋放能量，并且它會(huì)與輸入的電壓共同作用來(lái)使 VD導(dǎo)通，同時(shí)電阻 R中有電流流過，進(jìn)而對(duì)電容充電。 而在圖 26(b)中當(dāng) VT的關(guān)斷時(shí)間結(jié)束后， VT就會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而重復(fù)以上過程。 (a) VT導(dǎo)通 (b)VT關(guān)斷 圖 26 Boost變換器的工作過程 下面對(duì) Boost變換電路在電感電流連續(xù)工作方式下進(jìn)行介紹，在一個(gè)周期內(nèi)將電路分為開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，即 t0～ t1時(shí)為開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)， t1～ t2時(shí)為開關(guān)斷開狀態(tài)。 在 t0～ t1時(shí)間段內(nèi)，如圖 26(a)所示， t=t0時(shí)， VT導(dǎo)通，一直到 t1這個(gè)過程中 VT一直是導(dǎo)通狀態(tài)，但是二極管 VD卻因?yàn)榉聪螂妷憾唤刂?，此時(shí)的電容為電阻 R提供河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 電能。 在這個(gè)階段中因?yàn)檩斎腚妷杭釉诹?L上，所以電感電流會(huì)線性增加。 當(dāng) t=t1時(shí)， ontttt ???? 011 ， Li 從 minLI 最小值增加到 maxLI 最大值 ， Li 的增加量可以表示為： TLUtLUi ioniL ???? ? () 在 t1～ t2時(shí)段內(nèi)，如圖 26(b)所示，在 t=t1時(shí)， VT關(guān)斷， VD導(dǎo)通，在這一過程中L釋放上一階段所儲(chǔ)存的能量。 流過電感的電流 Li 減小，同時(shí) Li 經(jīng)過 VD流向輸出端。與此同時(shí)電源也向負(fù)載供電，電容 C被充電。 當(dāng) t=t2時(shí)， offtttt ???? 122 ，此時(shí)的 Li 從 maxLI 最大值減小到 minLI 最小值， Li 的減小量表示為： ? ?TL UUtL UUi ioof fioL ??????? ? 1 () 在 t2時(shí)， VT又一次導(dǎo)通，電路進(jìn)行下一個(gè)開關(guān)周期。 在圖 27中 Li 表示電路中輸入的電流， iI 表示電流的平均值， iI 表示為iI = LI =? ? 2/m inm ax LL II ? ，由圖可 以看出 VT和 VD是輪流工作的。當(dāng) VT工作時(shí)電流 Li 流過VT；當(dāng) VD工作時(shí)，電流 Li 流過 VD。所以 Li 的波形是由 VT和 VD的波形所合成的。因?yàn)樵谝粋€(gè)周期中電容存在兩個(gè)過程，即充電和放電過程，所以電容 C的電流平均值為 0。輸出電流的平均值 oI 也是流過 VD的電流平均值 VDI 。 通過分析得出， Boost變換電路的 輸入電壓 iU 與輸出電壓 oU 的關(guān)系 可以表示為： io UU ??? 1 1 () 在式子 ， 10 ??? ，而且當(dāng)δ無(wú)限趨于 1時(shí)， oU 會(huì)趨于無(wú)窮大。這種情況下會(huì)將電路損壞，所以我們必須避免這種情況的發(fā)生。 電路中 iI 與 oI 的關(guān)系表示為： ? ? io II ??? 1 () 用 oU? 表示 輸出電壓的脈動(dòng)，可以表示為： 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 oonoo ICfTICCQU ?????? 1 () 由式子 ，可以采取增大電容 C和增加 f的方法來(lái)減小輸出電壓的紋波。 圖 27 Boost變換器電流連續(xù)下的波形 Boost變換電路在電流臨界連續(xù)時(shí)的波 形如下圖 28所示，從圖中可以知道此時(shí)流過二極管 VD的電流平均值可表示為： ? ? ? ?L TUiI oLVD 21121 ??? ????? () 所以我們可以得知當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí)必須滿足 VDo II ? ，此式也是電感電流 連 臨界條件。由 RUI oo ?并且聯(lián)系 ()式可以進(jìn)一步的得出下式 : ? ?L TURU oo 21 2?? ?? () 整理式子 ()得 ： 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 13 ? ?21 2?? ??RTL () 所以可以用公式 ()來(lái)判斷電感電流是否連續(xù)的臨界條件。 圖 28 Boost電路電流臨界連續(xù)時(shí)的波形 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 14 3 超級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 電路 仿真 前饋控制的 Boost變換器仿真電路 大型能量捕獲技術(shù)例如風(fēng)能、太陽(yáng)能是眾所周知的，而小規(guī)模能量收集技術(shù)例如振動(dòng)能、電磁能等也被提出并發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)，小型能源收獲產(chǎn)品商業(yè)化的問題是它的成本、便于使用和污染。此論文在一定程度上可以解決 此問題。大部分的能量采集器所產(chǎn)生的能量是不穩(wěn)定的，也就是所產(chǎn)生能量的幅值和持續(xù)的時(shí)間很大程度上受環(huán)境條件的影響。因此超級(jí)儲(chǔ)能電容器因?yàn)闊o(wú)污染易于充放電在采集器中被用作儲(chǔ)能單元。根據(jù)能量的儲(chǔ)存形式，能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)可以分為電磁存儲(chǔ)、機(jī)械存儲(chǔ)、化學(xué)存儲(chǔ)、生物存儲(chǔ)和熱能存儲(chǔ)。在電磁儲(chǔ)存系統(tǒng)中因?yàn)樗哂?功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電效率高，無(wú)污染的特點(diǎn)，因此超級(jí)電容器是個(gè)新興和有前途的能量?jī)?chǔ)存器件。超級(jí)電容器還廣泛應(yīng)用在很多場(chǎng)合，例如在數(shù)碼相機(jī)、電話等消費(fèi)電子產(chǎn)品中與電池結(jié)合使用。尤其是最近環(huán)境問題日益嚴(yán)重，超級(jí)電容器 無(wú)污染、低維修的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。 獨(dú)立的超級(jí)電容器自儲(chǔ)能充電電路包括一個(gè)自啟動(dòng)、自供電電路和一個(gè)前饋控制的 boost 變換器。本論文中設(shè)計(jì)的自啟動(dòng)電路是一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)不使用時(shí)它可以使自供電電路關(guān)斷。 Boost 變換器包含一個(gè)主要的能量存儲(chǔ)器件，自啟動(dòng)自供電電路包含二級(jí)能