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一种电能收集充电器的研制

发布时间:2015-08-01 19:11:22  来源:大电流电感厂家   查看:

当前,便携式电子设备进入千家万户,蓄电池已成为便差模电感器携式电子设备中不可或缺的组成部分,而充电器在这其中扮演着重要的角色。电池要发挥其设计所需的性能不仅取决于它的设计技术和工艺,而且很大程度上要依赖于充电器的性能。电能收集充电器是一种环保型充电器,能将其他直流电源中极少的电能收集起来充入电池中,以减少能源浪费。本文研制的电能收集充电器就是基于这一思想设计的。采用TI公司的TPS5430和TPS61200两款新型直流变换芯片作为变换核心,进行模块化设计制作。实验验证了输入电压为0.3 V~20 V时,充电器输出电压可稳定在3.6 V,能高效地对可充电电池充电。
1 系统方案设计
1.1 系统功能指标

系统研制的目的是实现输入电压在0.3 V~20 V下,高效能地对可充电电池充电,其基本结构框架如图1所示。


1.2 总体方案设计
系统采用单片机C8051F330进行监测和控制,直流电源变换器由DC-DC集成升压芯片TPS61200和DC-DC集成降压芯片TPS5430组成。当Es<铁芯电感;3.6 V时,单片机控制模拟开关切换到由TPS61200组成的低输入电压直流升压电路;当3.6 V<Es<6 V时,通过C8051F330控制限流开关TPS2010闭合,直接输出持续的直流充电电流;当6 V<Es<20 V时,单片机控制TPS5430使能有效,切换到TPS5430直流降压电路,以较高效率向充电池输出电能。系统塑封电感总体结构图如图2所示。

2 主要硬件电路设计
2.1 降压电路

当10 V<Es<20 V时,选用DC-DC降压芯片TPS5430组成降压电路,TPS5430输入电压范围为5.5 V~40 V,内部集成导通电阻为110 mΩ的MOS管,固定开关频率500 kHz,最高效率可达到95%。电路如图3所示。

设定图3降压电路输入电压为10 V~20 V,输出电压3.6 V~5 V可调,电感值为100 μH。滤波电容取值时要考虑实际应用中电路的稳定性(取值不当容易引起电路自激),同时为了减小输出纹波,电容ESR值应尽量小。因此在降压电路中采用100μF的瓷片电容,二极管采用正向导通压降只有0.3 V的SR360肖特基二极管,以降低损耗。
2.2 升压电路
当Es<3.6 V时,选用DC-DC升压芯片TPS61200,TPS61200输入电压范围为0.3 V~5.5 V,输出可调电压最大可达5.5 V。选取TPS5430可以使启动电压很低,同时为了提高效率,使充电电流升高,采用单片机控制三个开关实现分段控制,开关管可接不同限流电阻,具体电路如图4所示。

设定图4升压电路输入电压为0.3 V~3.6 V,输出电压为5 V,在图4中电感值取3.3 μH;输入电容建议取最小值为4.7 μF的陶瓷电容;输出电容根据COUT(MAX)=5×L(μF/μH)取值为10μF。
2.3 检测控制电路
超低功耗单片机C8051F330为监控核心,采用间歇工作方式,可进一步降低能耗,改善充电效果。
3 系统软件设计流程
本系统每0.5 s通过A/D对直流电源输出电压Es和充电电流采样一次,并通过液晶插件电感显示电压数值和电流值,同时判断Es值的大小,控制切换到对应的直流变换器,剩余时间内单片机自动进入休眠模式以降低功耗。系统程序流程图如图5、图6所示。

4 实验
4.1 测试方法与测试数据

具体测试时,采用稳压稳流电源作为输入直流电压Es,以功率电阻模拟充电器,调节稳压电压Es,手动改变内阻Rc,用万用表和示波器测试电压与电流记录数据并分析是否达到设计要求。

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