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1、学科分类号0712本科生毕业论文(设计)题目（中文） : 电能收集充电器 （英文） : Power Collection Charger 学生：学号：系别：专业：指导教师：起止日期： / 学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日目 录摘要I关键词IKEY
2、WORDSI1 前言12 设计任务与要求22.1 设计任务22.2 设计要求32.2.1 基本要求32.2.2 发挥部分33 设计方案的选择与论证33.1 方案选择和论证33.1.1电源变换拓扑方案论证33.1.2 控制方法方案论证64 理论分析与参数计算74.1 提高电源效率的分析与计算74.2 模拟可充电电池的分析94.3单端反激变压器的设计与计算95 系统硬件电路设计105.1 主电路的设计与参数设计105.3监控与控制电路的设计115.4电流采样电路的设计126 系统软件设计126.1 MSP430单片机简介126.2 软件流程图187.系统测试方法、结果和分析197.1 测试仪器19
3、7.2测试方案197.3测试数据197.4结果分析208 总结20参考文献21致22附录：23电能收集充电器摘 要该设计使用TPS2836和低功耗单片机MSP430F449，采用单端反激变换器，加入同步整流技术，转换效率高达90%以上，且具有最大电流跟踪能力；采样和监测采用间歇工作方式，工作间歇可以在0.1s-5s通过按键设定。ES=10v20v，RS=100时，最大锁定电流220MA；RS=1，ES在1.2v3.6v之间变化，给电池的最大充电电流为710MA；RS=0.1，0.35vES0。关键词单端反激变换器； 同步整流 ；最大电流跟踪Power Collection ChargerAbs
4、tract列在目录中The TPS2836 and low power design using microcontroller MSP430F449, using single-ended flyback converter, the synchronous rectification technology and the conversion efficiency as high as 90%, and has a maximum current tracking ability; sampling and monitoring of the use of intermittent wor
5、k, can be intermitted 0.1s-5s through the key settings. ES = 10v 20v, RS = 100, the maximum lock current 220MA; RS = 1, ES vary in 1.2v 3.6v, the batterys maximum charge current 710MA; RS = 0.1, 0.35v ES 0.Key words Flyback converter; Synchronous rectification; maximum current track1 前言随着社会的发展，能源已经成
6、为当今的社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。在人们的生产、生活中，各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，与人们的工作、生活的关系日益密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系统来处理和存储。而各种用电设备都离不开可靠的电源，如果在工作中间电源突然中断，人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失。对于由交流供电的用电设备，为了避免出现上述不利情况，必须设计一种电源系统，它能不间断的为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源。为此，都使用了可蓄电池。这样，即使电力网停电，也可利用电能收集充电器进行储蓄电能。近年来，节能环保理念深入人心
7、，对半导体IC设计和应用也提出了更高的要求。2008年11月，五大手机制造商诺基亚、三星、索尼爱立信、摩托罗拉和LG电子联合发布了手机充电器的五星级标准。例如，待机功耗小于或等于30mW的手机充电器属于最高星级。相反，如果待机功耗500mW，则充电器标签上将无任何星级标记。为适应手机充电器的技术革新和发展，新近半导体制造于近期推出一种新的电源控制芯片AP3768，并基于AP3768开发出全面满足能源之星外部电源2.0标准和五星级标准的充电器方案。 在出现低压和小电流的情况下可以实现小电流的高效收集，在太阳能电池处于阴雨天或风力发电机处于小风情况下，这些发电系统只能输出较低的电压，同时电流也比较
8、小，在这种情况下，通常传统的直接向蓄电池充电的控制器因电压达不到蓄电池充电电压而难以向蓄电池实现充电，或者达到充电电压但电流过小而损失太大达不到充进蓄电池的目的。因此，研究电能收集充电器很有现实意义。2 设计任务与要求2.1 设计任务设计并制作一个电能收集充电器，充电器与测试原理示意图如图2.1。该充电器的核心为直流电源变换器，它从一直流电源中吸收电能，以尽可能大的电流充入一个可充电池。直流电源的输出功率有限，其电动势 Es 在一定围缓慢变化，当 Es 为不同值时，直流电源变换器的电路结构，参数可以不同。监测和控制电路由直流电源变换器供电。由于 Es 的变化极慢，监测和控制电路应该采用间歇工作
9、方式,以降低其能耗。可充电池的电动势 Ec=3.6V，阻 Rc=0.1。 图2.1测试原理示意图2.2 设计要求2.2.1 基本要求（1）在 Rs=100，Es=10V20V 时，充电电流 Ic 大于（Es-Ec）/（Rs+Rc）。（2）在 Rs=100时，能向电池充电的 Es 尽可能低。（3）Es 从 0 逐渐升高时，能自动启动充电功能的 Es尽可能低。（4）Es 降低到不能向电池充电，最低至0时，尽量降低电池放电电流。（5）监测和控制电路工作间歇设定围为0.1 s5s。 2.2.2 发挥部分（1）在 Rs=1，Es=1.2V3.6V 时，以尽可能大的电流向电池充电。 （2）能向电池充电的
10、Es 尽可能低。当 Es1.1V 时，取 Rs =1；当 Es1.1V 时，取 Rs =0.1。 （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 Es1.1V 时，取 Rs =1；当 Es1.1V时，取 Rs=0.1。 （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0v20v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
11、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3.1 CuK变换器方案三：BUCK变换器与BOOST变换器组合如图3.2，在E
12、s=10V20V 时，采用BUCK电路实现功能，在ES3.6V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3.2 BUCK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，
13、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=10V20V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
14、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 缺说明 图3.5缺说明方案二：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0.1S5 S 围可调。综合考虑控制电路的功耗，成本与可行性，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（maximum power match）。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：
