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1、电能收集充电器摘要本系统以Buck和Boost斩波电路为核心，以ATmega8L单片机为主控制器，根据输入电压对PWM信号做出调整，进行最大功率点跟踪，从而实现高效率的充电。系统在输入电压为0.3V的情况下通过TPS62100芯片，实现自启动。系统在输入电压范围0.5V-20V实现充电功能，可以通过按键设定充电器的监控时间，以减少功耗。测试表明，作品达到了题目的基本要求和扩展要求的全部功能。关键词：充电器拓扑结构；最大功率点跟踪；TPS62100；ATmega81系统方案1.1 电源变换器方案1.1.1 充电器的主回路方案一：线性充电器线性充电方式是充电方式中，复杂度最小、成本最低的方案。线性
2、充电方式最大的缺点是功率损耗较大，不能实现升压。方案二：buck/boost变换器能够在宽输入电压范围实现充电。它的缺点是输出电压的极性反相，效率不高。方案三：电荷泵充电器 效率高，但输出电流小，不能降压。方案四： buck与Boost分开控制 该方案的控制简单，成本低，且效率高。方案论证：结合题目的要求，效率重要，所以选择方案四。1.1.2 启动电路 方案一：低压启动的振荡电路，用三极管设计一个振荡器，在低电压的情况下自启动振荡，为Boost电路提供驱动脉冲。 方案二：采用TI的电池充电管理芯片TPS61200，启动工作电压为0.5V，输入电压最低至0.3V，可满足充电器的启动要求。 最终方
3、案的确定：结合题目对输入电压范围、效率等指标的要求对以上各方案进行比较，也出于对时间、电路的复杂程度以及之前读各种电路的熟悉程度的考虑，选择了并 buck变换器和boost变换器，对输入电压进行降压和升压的控制。启动电路采用TI的电池充电管理芯片TPS61200，启动工作电压为0.5V，输入电压最低至0.3V，可满足充电器的启动要求。1.2 控制方法系统在低电压的状况下要自启动，还必须自动切换升压和降压。输入电源的电压范围和阻抗变化大，为了保证最大的充电电流需要对最大功率点进行跟踪（MPPT）。 方案一：采用模拟的控制方法，即用比较器对输入电压与一个基准电压比较，决定升压和降压的工作方式。但难
4、以实现MTTP算法。方案二：采用单片机容易实现MPPT控制算法和电路的切换，即通过单片机对充电电流进行采集，跟踪输入的最大功率。用单片机进行穷举算法，参数的选取和修改方便。与模拟控制方法相比，数字控制算法灵活性高、可靠性好、抗干扰能力强，同时节省了系统的成本、缩短了时间。1.3系统的框图系统由Buck变换电路、Boost变换电路、启动电路、设定及测量电路、主控电路6大部分组成；其系统电路总体框架如图1.3所示。图1.3 系统框图2.理论分析与计算2.1 效率分析与计算影响效率的主要因素主要有开关损耗、整流二极管损耗和MCU损耗，以及外围检测电路。可通过以下途径提高效率：1.采用肖特基二极管，采
5、用低导通电阻MOSFET管，采用低损耗磁芯材料优化电感设计等。2.选取低功耗元器件，比如单片机mega8L采用低功耗技术，在3.6V工作电压下的待机电流典型值仅为1mA，在3.6V工作电压2MHz主频下的工作电流典型值为2mA；运放LM324的静态电流为1.8mA，关闭模式下仅1nA；启动电路的集成boost变换器芯片TPS62100，在固定工作频率下的静态电流的典型值为55uA。3.软件设计原则包括尽量利用单片机休眠模式、利用中断实现定时、关闭不需要使用的模块、尽可能利用单片机软件功能代替硬件电路。项目计算公式计算值MOS管的损耗0.2mW整流二极管的损耗38mW储能电感的损耗1mWMCU的
6、功耗18mW监控外设功耗10mW理论算得升压的效率为80%，降压充电的效率为90%3.电路与程序设计31变换电路的设计与计算3.1.1降压电路 图3.1.1 电感设计最差工作条件是发生在高输入电压的情况低电压输入时：0.13W/7.2V=0.018A(Buck与Boost电路切换临界电压设为7.2V)高电压输入时：1W/20V=0.05A估计峰值电流：1.4Iout(rated)=1.4*0.3A=0.42A，工作频率：7.5KHz。 = =46.6uH最终采用50uH效果较好续流二极管：为了减小导通与开关损耗，续流二极管要用肖特基二极管，续流二极管选用IN5819，管压降为0.183V，流过
7、0.5A的电流其压降为0.35V驱动电路常规的Buck电路，其结构简单效率较高，buck电路选用NMOS管，但在Buck电路中存在驱动的问题，由于续流二极管导通与截止使NMOS管的源极处于浮动状态，即当二极管续流导通时，NMOS的源极的电位接近于0，而当此二极管关断时，开关管源极的电位被提高，因此设计了以上的自举电路。3.1.2升压电路图 3.1.2Boost电路的电压工作范围0.5V3.5V，输出电压为3.68V，忽略电路的损耗，根据BOOST电路输出电压表达式，可得PWM占空比：。最大占空比Dmax为0.86，最小占空比Dmin为0.05，最坏的情况为占空比最大的时候，根据电流临界连续条件
8、求得电感值为实际取100uH，式中开关管的工作频率为7.6kHz。开关管最大实际漏源电流为2.5A，考虑到实际电压电流尖峰和冲击，电压电流耐量分别取2.5和2倍裕量，即应选取耐压高于9V，最大电流5A。实际选用APM3005的，NMOS管，最大漏源电压30V，最大漏极电流50A，通态电阻7m，可用单片机直接驱动。二极管选用IN5822，耐压50V，导通压降0.14V，允许通过电流6A，两个二极管并联可以减小导通压降，从而降低损耗。3.1.3启动电路 由于时间紧张，难以在短时间内设计出一个启动电压很低的电路，直接采用TI公司的TPS62100充电控制芯片，集成了1.5A开关的新型TPS61200
9、升压转换器不仅在正常工作下支持0.3V至5.5V的输入电压，而且在欠压锁定引脚直接连接到输出电压的情况下，仍可管理低至0.0V的电源电压。该转换器在任何负载情况下均可实现0.5V超低启动电压，工作效率更超过90%。3.1.4设定和监控电路通过按键可设定单片机进行间歇式监控的时间，设定时间在0.1-5s。在停止监控时下单片机进入休眠模式，同时单片机将所有的监控外设电路关闭，以减低充电器的静态功耗。3.2软件设计根据题目的要求，若调节占空比使变换器的输入端电压等于直流电源电压Es的一半，则表明跟踪到了最大功率点。应用穷举法搜索程序和最优梯度法跟踪程序相结合实现本设计的最大功率点跟踪策略。穷举法的搜
10、索步长为1/16，每步采样电流后，将当前电流值与Ic_max进行比较，由Ic_max记录下电流最大值，并记下最大值处的占空比。搜索完成后，将当前占空比设置为搜索到的最大功率点处的占空比D，然后进入最优梯度法跟踪程序。在最优梯度跟踪程序中，由每步的电流增量值与占空比增量值相除，得到梯度g(k)。g(k)与容许误差E比较，若g(k)E则认为跟踪到了最大功率点，退出跟踪程序；反之，则计算g(k)与调整因子ak的乘积，并根据g(k)的符号更新占空比的值，进入下一步搜索。4.测试结果41测试仪器万用表（FLUKE 15 B）42 测试方案及数据4.2.1降压模式下的充电电流Ic (测试条件：Rs=100
11、)Es(V)Ic(mA)(Es-Ec)/(Rs+Rc)是否满足要求100.0490.063否130.1050.094能150.1270.114能4.2.2 最低可充电的Es 4.2.3 自动启动充电功能的EsRs()Es（V）1005.111.10.10.25Rs()Es（V）1005.111.10.10.54.2.4 Es=0时，电池的放电电流 4.2.5 最大充电电流Ic（Rs=1）Rs()I（mA）1000.010210.01020.10.0102Es(V)Ic（mA）1.2691.81653.64504.2.6 电池完全放电，能自动启动充电功能的EsRs()Es（V）1005.111.10.10.34.2.7 监控电路的工作间歇的设定 0.1-5s。5.结语本电路结构简单、成本较低、性能优良，较好得完成了题目的要求。由于时间紧张，任务较为繁重，本电路尚有不足之处，如降压电路的效率没达到90%，这些问题有待以后的研究中进一步改善。
