logo资料库

2009电子设计大赛获奖论文——电能收集充电器.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.43M 资料格式：doc 举报 版权申诉
第1页 / 共21页
第2页 / 共21页
第3页 / 共21页
第4页 / 共21页
第5页 / 共21页
第6页 / 共21页
第7页 / 共21页
第8页 / 共21页
资料共21页，剩余部分请下载后查看
    目 录
    摘 要
    ABSTRACT
    1 系统方案设计、比较与论证
    1.1 总方案设计、比较与论证
    1.2 直流变换电路脉宽调制电路的比较与论证
    2 理论分析与计算
    2.1 电路结构：
    2.2 电路设计
    2.3 元器件选用
    3 各单元电路的设计与实现
    3.1 升压型变换器
    3.2 降压型变换器
    3.3 监控电路
    4 系统软件设计及流程
    4.1 功能分析
    4.2 软件设计
    5 整机测试及测试结果分析
    5.1 测试仪器
    5.2 测试结果
    5.3 测试结果分析
    6 结论
    电能收集充电器 参赛组：133 参赛人员：袁强、谭伟、周伟
    电能收集充电器 目 录 目 录.................................................................................................................. I 摘 要................................................................................................................. II ABSTRACT .........................................................................................................II 1 系统方案设计、比较与论证.......................................................................................1 1.1 总方案设计、比较与论证................................................................................1 1.2 直流变换电路脉宽调制电路的比较与论证....................................................2 2 理论分析与计算...........................................................................................................2 2.1 电路结构：........................................................................................................2 2.2 电路设计............................................................................................................3 2.3 元器件选用........................................................................................................3 3 各单元电路的设计与实现...........................................................................................3 3.1 升压型变换器....................................................................................................3 3.2 降压型变换器....................................................................................................4 3.3 监控电路............................................................................................................5 4 系统软件设计及流程...................................................................................................5 4.1 功能分析............................................................................................................5 4.2 软件设计............................................................................................................5 5 整机测试及测试结果分析...........................................................................................6 5.1 测试仪器............................................................................................................6 5.2 测试结果............................................................................................................6 5.3 测试结果分析....................................................................................................6 6 结论...............................................................................................................................6 I
    电能收集充电器 摘 要 设计并制作了一种宽范围的电能收集充电器。本充电器可根据输入电压的范 围，选择升压、降压及直通输出三种工作模式，有效地提高了充电器直流变换电 路的工作效率；监测和控制电路则工作于间歇模式，降低了功耗，有助于提高变 换器效率。经实际测试，充电器在 0.9V 至 20V 范围内均能正常工作,并能向模拟 可充电池充电，电路工作稳定可靠，成本低，很好地满足了任务要求。 关键词：充电器 直流变换器 ABSTRACT A wide range power charger is designed. To improve the efficiency of DC conversion circuit, the charger selects one operating mode among the boost output, the buck output and the straight-through output to work, according to the input voltage range. In order to reduce the power consumption of circuit, the monitoring and control circuit works in the batch mode. The actual test presents that the charger can work under the input voltage from 0.9V to 20V, and the circuit is stable and reliable with low cost. Key Words：power charger DC conversion II
    电能收集充电器 1 系统方案设计、比较与论证 1.1 总方案设计、比较与论证 根据题目要求，设计的电能收集充电器主要由 DC/DC 变换器、变换器选择电 路、辅助电源及监控电路等部分构成，其原理框图如图 1 所示。 DC/DC 变换器 降压型变换器 变换器选择 输 入 直通电路 升压型变换器 输 出 监控显示 辅助电源 图 1 系统原理框图 方案一：在全电压输入范围内采用一种直流电源变换电路。 由于输入电压范围较宽，因此必须采用升降压变换电路才能满足要求，而当 输入电压范围较宽时，升降压变换器的占空比变化较大；在占空比较小时，变换 电路的工作效率必然较低。同时，其辅助电源也要能适应较宽的变化范围，实际 上，在电压高于 9V 时，很多 PWM 控制器已经能够正常工作，而此时单设辅助电 源，必然会降低变换器的效率。 方案二：针对不同的输入电压，采用不同的直流电源变换电路。 在输入电压较低时，采用升压变换电路，而在输入电压较高时，采用降压变 换电路，这样变换器的占空比可以控制在较小的范围内，有利于提高效率。本方 案同方案一相比缺点是增加了一套变换电路，成本有所增加。优点是在输入电压 较高时可不用单设辅助电源，提高了效率；同时在低压时，辅助电源工作，辅助 电源不需要适应输入电压如此宽的范围，降低了辅助电源的要求。 综合比较，为提高变换效率，选用方案二。DC/DC 变换器主要由升压变换电 路和降压电路两部分构成。当输入电压低于 3.6V 时，变换器选择电路将输入接入 到升压变换电路；当输入电压高于 10V 时，变换器选择电路将输入接入到降压变 换电路；而当输入电压在 3.6V 到 10V 之间时，直通电路工作，将直接旁路输出。 1
    1.2 直流变换电路脉宽调制电路的比较与论证 电能收集充电器 方案一：采用单片机产生 PWM 信号。这种方案可简化硬件电路，易于通过修 改程序来控制和调节，具有较好的灵活性。但在变换器工作过程中，为保证获得 最大的输出功率，需根据输入和输出电压的变化实时调整占空比。而单片机通过 A/D 采样输入输出，再根据输入输出的变化来调整占空比，必然会产生较大的延 时，导致较大的控制误差。同时，单片机端口输出电压低、功率小，不能直接驱 动功率开关，需另外增加驱动电路和电源，会产生额外的功率损耗。同时，其价 格也比单片 PWM 控制器更高。 方案二：采用单片 PWM 信号控制器。单片 PWM 控制器集成度较高，外接 较少的元器件就可正常工作，同时该类集成芯片通常自带驱动电路，功耗也较低， 有利于降低成本，提高效率，响应速度也更快，缺点是控制的灵活性较方案一稍 差。 经综合比较，我们选择方案二。 2 理论分析与计算 为保证变换效率，使整个充电电路获得最大的功率输出，从以下几个方面进 行了设计： 2.1 电路结构： （1）输入电压低于 3.6V 时 由于输入电压低于充电电压，必须对输入电压进行升压。设计时采用 Boost 升压电路，通过对 Boost 电路的占空比进行控制，改变 Boost 电路的等效输入阻抗， 使其与输入电源阻抗相匹配，实现最大功率输出，提高变换效率。 要使升压电路能够工作，必须提供辅助电源，因此采用自激式升压电路来为 变换电路提供辅助电源。 （2）输入电压高于 3.6V，低于 18V 时 按题目要求，当输入电压大于 3.6V，RS 变为 100Ω，此时，变换器所能获得 2 SE ，经实际测试，控制电路采用 UC3843 作为 PWM 控制器时， 400 的最大输入功率为 在工作电源为 12V 的情况下，其自身消耗电流约为 26mA，功耗为 312mW；在工 作电源为 9V 时，其自身消耗电流为 20mA，功耗为 180mW，再加上控制电路自 身的功耗，辅助电源的功耗等，变换器自身的功耗不会低于 300mW，而负载希望 得到的充电功率为 E S R S 6.3 V  R  C  6.3 V ，即 2 SE -0.3W＞ 400 E S R S 6.3 V  R  C  6.3 V ，满足此条件的 ES 2
    电能收集充电器 应大于 18V。当电压低于 18V 时，变换器的输出电流肯定低于题目要求（变换器 自身效率极高除外），且小于直通电流。为了保证电池尽可能多的获得电能，采 用直接输出的方式，消除功率变换部分的功耗，提高效率。 （3）输入电压高于 18V 时 为保证获得最佳的功率输出，必须使变换电路的等效输入阻抗与电源内阻相 匹配，因此采用单端反激式变换电路，通过对变换器的占空比进行控制，改变变 换器的等效输入阻抗，实现最大功率输出。 2.2 电路设计 （1）在保证实现功能要求的基础上，电路设计尽量简化，以减少不必要的损 耗。 （2）单片机作为监控电路的核心，可工作于休眠模式，以降低监控电路的损 耗，提高效率。 （3）升压和降压变换电路的占空比控制在合理的范围内，提高变换电路的效 率。 2.3 元器件选用 （1）变换器功率开关 变换器的功率开关选用低导通电阻的低压大电流 MOSFET，以降低功率开关 的开关损耗和导通损耗。 （2）PWM 控制器 PWM 控制器选用 TI 公司的电流型 PWM 控制芯片 UC3843，它具有功能全， 工作频率高，引脚少外围元件简单等特点，它的电压调整率可达 0.01%V，非常接 近线性稳压电源的调整率。工作频率可达 500kHz，启动电流仅需 1mA，启动电路 非常简单。 （3）单片机 系统主控制器选用微芯公司的 PIC16F684 单片机，它具有功耗低（工作电流 最低可达 10uA，待机电流为 50nA），工作电压范围宽（2.0V~5.5V），外设丰富， 端口驱动能力强等特点，能有效提高监控电路的集成度，降低功耗。 3 各单元电路的设计与实现 3.1 升压型变换器 （1）主电路 主电路采用 Boost 型升压电路，见附录二图（1），其输出电压与输入电压的 3
    控制方程为： 电能收集充电器 VO  1 V  i 1 式中，Vo 为输出电压，Vi 为输入电压，为占空比。 由于升压电路在输入电压小于 3.6V 时工作，假设有效的输入电压范围最低为 1V，输出电压为 4.2V，则占空比的变化范围为 0.14~0.76，在此范围内调整占空 比，就能保证获得最大的输出功率。 （2）辅助电源 辅助电源采用自激式升压电路，以保证在输入电压很低时也能正常启动 PWM 控制器，给电池充电。其电路如附录二图（2）所示，图中 L1、L2 为储能电感， Q2 为开关管，Q1 为驱动管，Q3、R21、R17 及 ZD2 构成了输出电压调整电路。 其工作原理为，上电启动时，由于 C14 两端电压为零，因此 Q3 截止、Q1 导通， 导致 Q2 导通，电感 L1 和 L2 储存能量，同时电源通过 Q1 发射极和 Q2 向电容 C7 充电。电容 C7 两端电压上升，当 C7 两端电压上升到接近电源电压时，Q1 截止， 导致 Q2 截止，L1 和 L2 储存的能量向 C14 充电，并向负载供电，此时 Q3 导通， Q1 保持截止。当 L1 和 L2 上的能量释放较多，导致 C14 两端电压下降到低于 12V 时，Q3 截止，Q1 导通，导致 Q2 导通，电感 L1 和 L2 又储存能量，并开始一个新 的工作周期。 （3）PWM 控制器 PWM 控制器选用 TI 公司的电流型 PWM 控制芯片 UC3843。 3.2 降压型变换器 （1）主电路 主电路采用单端反激式变换电路，如附录二图（3）所示，其输出电压与输入 电压的控制方程为： V O  N N 2 1  a  1 a V i 式中：N1 为变压器 T1 初级绕组，N2 为变压器 T1 次级绕组，N2 和 N1 的匝 比为 1:1，因此当 ES 在 10~20V 范围内变化时，满功率输出情况下变换器输入端口 电压变化范围约为 5~10V，占空比的变化范围为 0.42~0.27，在此范围内调整占空 比，就能保证获得最大的输出功率。 （2）辅助电源 启动时的辅助电源直接从输入电源获得，当主变换器工作正常后，通过变压 器 T1 的次级绕组 N3 获得稳定的 12V 电源。 4
    电能收集充电器 （3）PWM 控制器 PWM 控制器仍选用 UC3843。 3.3 监控电路 监控电路见附录二图（4）所示，采用低功耗单片机 PIC16F684 对系统进行监 控，为减小监控电路功耗，主控制器采用间隙工作方式，即每隔一定的间歇时间 采集控制一次，其余时间，控制器处于休眠状态。间歇时间为 0.1s~5s，可通过按 键选择。 监测时，首先将直通回路断开、控制降压变换器支路的 UC3843 停止工作，再 利用单片机内部 10 位 A/D 采集输入端电压。 如果输入电压小于 18V，则控制继电器 REL2 导通，使降压变换器支路的 UC3843 停止运行，指示灯 LED1 闪烁指示当前为直通支路工作。 如果输入电压大于 18V，则控制继电器 REL2 断开，使降压变换器支路的 UC3843 运行，指示灯 LED2 闪烁指示当前为降压变换器支路工作。 如果输入电压小于 3.6V，升压变换器支路工作。 4 系统软件设计及流程 4.1 功能分析 单片机主要实现以下几个方面的功能： （1）输入电压的采集及数据处理； （2）系统工作状态的控制与显示； （3）按键扫描； （4）间歇工作控制。 4.2 软件设计 对各主要功能块的软件设计如下： （1）输入电压的采集及数据处理。采用单片机内部 10 位 A/D 采集输入电压， 单片机工作一次连续采集 10 次，对 10 次测量值进行去尖峰求平均滤波处理。其 设计流程见附录三图（1）。 （2）系统工作状态的控制及显示。根据测得的电压值，控制继电器及 PWM 控制器，使系统工作于相应的工作方式，并通过两个 LED 指示出来。其设计流程 见附录三图（2）。 （3）间歇工作控制。通过扫描按键确定间歇时间，结合定时器、看门狗及休 眠工作方式，使单片机以设定的间歇时间工作，以降低系统功耗。其设计流程见 5
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    课程资源

    共收录17145份资料，累计13个分类，关注成员有19位，主要包括：PHP,网络管理,网页制作,Java,.Net,数据库,3G/移动开发,C/C++,游戏开发,嵌入式,讲义,软件测试,专业指导

    热门标签

    PHP 网络管理 网页制作 Java .Net 数据库 3G/移动开发 C/C++ 游戏开发 嵌入式 讲义 软件测试 专业指导

    最新资料