1、電能收集充電器摘要: 本系統以Sepic斬波電路為核心，以MSP430單片機為主控制器，根據輸入電壓對PWM信號做出調整，進行最大功率點跟蹤，從而實現高效率的充電。系統在輸入電壓為0.3V的情況下通過TPS61202芯片，實現自啟動。系統在輸入電壓范圍0.5V-20V實現充電功能，可以通過按鍵設定充電器的監控時間，以減少功耗。測試表明，作品達到了題目的基本要求和擴展要求的全部功能。關鍵詞: sepic 最大功率點跟蹤 TPS61200 MSP4301系統方案1.1 電源變換器方案1.1.1 充電器的主回路方案一：Cuk充電器線性充電方式是充電方式中，復雜度最小、成本最低的方案。線性充電方式最大

2、的缺點是功率損耗較大，不能實現升壓。方案二：buck-boost變換器能夠在寬輸入電壓范圍實現充電。它的缺點是輸出電壓的極性反相，效率不高。方案三： buck與Boost分開控制 該方案的成本低，且效率高，但控制切換方案復雜。方案四：sepic斬波電路該電路結構簡單，成本低，效率高，輸入與輸出同極性，十分符合題目要求。方案論證：結合題目的要求，選擇控制簡單且效率較高的方案，所以選擇方案四。1.1.2 啟動電路 方案一：低壓啟動的振蕩電路，用三極管設計一個振蕩器，在低電壓的情況下自啟動振蕩，為Boost電路提供驅動脈沖，但超低壓的三極管難于獲得。 方案二：采用TI的電池充電管理芯片TPS6120

3、2，啟動工作電壓為0.5V，輸入電壓最低至0.3V，可滿足充電器的啟動要求。 最終方案的確定：結合題目對輸入電壓范圍、效率等指標的要求對以上各方案進行比較，也出于對時間、電路的復雜程度以及之前讀各種電路的熟悉程度的考慮，選擇了并 buck變換器和boost變換器，對輸入電壓進行降壓和升壓的控制。啟動電路采用TI的電池充電管理芯片TPS61202，啟動工作電壓為0.5V，輸入電壓最低至0.3V，可滿足充電器的啟動要求。1.2 控制方法系統在低電壓的狀況下要自啟動，還必須自動切換升壓和降壓。輸入電源的電壓范圍和阻抗變化大，為了保證最大的充電電流需要對最大功率點進行跟蹤（MPPT）。 方案一：采用模

4、擬的控制方法，即用比較器對輸入電壓與一個基準電壓比較，決定升壓和降壓的工作方式。但難以實現MTTP算法。方案二：采用單片機容易實現MPPT控制算法和電路的切換，即通過單片機對充電電流進行采集，跟蹤輸入的最大功率。用單片機進行窮舉算法，參數的選取和修改方便。與模擬控制方法相比，數字控制算法靈活性高、可靠性好、抗干擾能力強，同時節省了系統的成本、縮短了時間。1.3系統的框圖系統由Sepic斬波電路、啟動電路、測量電路、主控電路4大部分組成；DC-DC變換電路是核心部分，控制部分主要由MSP430實現，通過電導增量法維持電路工作在最大功率狀態，從而實現最大輸出電流(充電電流)。圖1.3 系統框圖2.

5、理論分析與計算2.1 效率分析與計算影響效率的主要因素主要有開關損耗、整流二極管損耗和MCU損耗，以及外圍檢測電路。可通過以下途徑提高效率：1.采用肖特基二極管，采用低導通電阻MOSFET管，采用低損耗磁芯材料優化電感設計等。2.選取低功耗元器件，比如單片機MSP430采用低功耗技術，在3.6V工作電壓下的待機電流典型值僅為1mA，在3.6V工作電壓2MHz主頻下的工作電流典型值為2mA；運放LM324的靜態電流為1.8mA，關閉模式下僅1nA；啟動電路的集成boost變換器芯片TPS62100，在固定工作頻率下的靜態電流的典型值為55uA。3.軟件設計原則包括盡量利用單片機休眠模式、利用中斷

6、實現定時、關閉不需要使用的模塊、盡可能利用單片機軟件功能代替硬件電路。項目計算公式計算值MOS管的損耗2mW整流二極管的損耗38mW儲能電感的損耗1mWMCU的功耗18mW監控外設功耗10mW理論算得升壓的效率為81%（3.6V），降壓充電的效率為85%（10V）3.電路與程序設計3.1.變換電路的設計與計算3.1.主電路的設計與計算 圖3.1.1 電感的選?。捍_定電感的規則是，在最小輸入電壓時使得紋波電流的大小約為穩定值的30%L1最終采用50uH，同理L2最終采用電容的選?。捍_定電感的規則是，在最小輸入電壓時使得紋波電流的大小約為穩定值得5% C1最終采用，同理C2最終采用續流二極管為了減

7、小導通與開關損耗，續流二極管要用肖特基二極管，續流二極管選用IN5819，管壓降為0.183V，流過0.5A的電流其壓降為0.35V。驅動電路常規的Buck電路，其結構簡單效率較高，buck電路選用NMOS管，但在Buck電路中存在驅動的問題，由于續流二極管導通與截止使NMOS管的源極處于浮動狀態，即當二極管續流導通時，NMOS的源極的電位接近于0，而當此二極管關斷時，開關管源極的電位被提高，因此設計了以上的自舉電路。3.1.3啟動電路直接采用TI公司的TPS61202充電控制芯片，集成了1.3A開關的新型TPS61200升壓轉換器不僅在正常工作下支持0.3V至5.5V的輸入電壓，而且在欠壓鎖

8、定引腳直接連接到輸出電壓的情況下，仍可管理低至0.3V的電源電壓。該轉換器在任何負載情況下均可實現0.5V超低啟動電壓，工作效率超過90%。其典型應用電路如圖3.1.3圖3.1.33.1.4監控電路通過按鍵可設定單片機進行間歇式監控的時間，設定時間在0.1-5s。在停止監控時下單片機進入休眠模式，同時單片機將所有的監控外設電路關閉，以減低充電器的靜態功耗。由于LM324工作電流小故直接由單片機IO供電，3.2軟件設計在輸入電壓小于7.2V時，電路工作在Boost狀態，大于7.2V時工作在buck狀態。單片機將采集到輸入電壓后，通過切換電路決定電路的工作狀態。根據題目的要求，若調節占空比使變換器

9、的輸入端電壓等于直流電源電壓Es的一半，則表明跟蹤到了最大功率點。應用窮舉法搜索程序和最優梯度法跟蹤程序相結合實現本設計的最大功率點跟蹤策略。窮舉法的搜索步長為1/8，每步采樣電流后，將當前電流值與Ic進行比較，由Imax記錄下電流最大值，并記下最大值處的占空比。搜索完成后，將當前占空比設置為搜索到的最大功率點處的占空比D，然后進入最優梯度法跟蹤程序。在最優梯度跟蹤程序中，由每步的電流增量值與占空比增量值相除，得到梯度m(g)。m(g)與容許誤差E比較，若m(g)<E則認為跟蹤到了最大功率點，退出跟蹤程序；反之，則計算m(g)與調整因子k的乘積，并根據m(g)的符號更新占空比的值，進入下

10、一步搜索。其流程圖見圖3.2。圖 3.24.測試結果41測試儀器萬用表（FLUKE 15 B）42 測試方案及數據4.2.1降壓模式下的充電電流Ic (測試條件：Rs=100)Es(V)Ic(mA)(Es-Ec)/(Rs+Rc)是否滿足要求100.0490.063否130.1050.094能150.1270.114能4.2.2 最低可充電的Es Rs()Es（V）1005.111.10.10.25Rs()Es（V）1005.111.10.10.54.2.4 Es=0時，電池的放電電流 4.2.5 最大充電電流Ic（Rs=1）Rs()I（mA）1000.010210.01020.10.0102E

11、s(V)Ic（mA）1.2691.81653.64504.2.6 電池完全放電，能自動啟動充電功能的EsRs()Es（V）1005.111.10.10.34.2.7 監控電路的工作間歇的設定 0.1-5s。5.結語本電路結構簡單、成本較低、性能優良，較好得完成了題目的要求。由于時間緊張，任務較為繁重，本電路尚有不足之處，如降壓電路的效率沒達到90%，這些問題有待以后的研究中進一步改善。參考文獻1侯振義直流開關電源技術及應用M北京：電子工業出版社，20072王兆安，黃俊電力電子技術M4版北京：機械工業出版社，20064吳少軍，劉光斌實用低功耗設計原理、器件與應用M北京：人民郵電出版社，20035