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电能收集充电器报告 本文简介：电能收集充电器（E题）参赛队队号：200900799电能收集充电器（E题）摘要本系统以DC——DC变换为主电路，具有升压斩波（BOOST）电路和降压（BUCK）电路。利用低功耗CMOS定时器7555自制PWM发生控制器。同时采用自带D/A、A/D的低功耗单片机C8051－F020作为控制核心，采用电
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电能收集充电器（E题）
参赛队队号：20090079
9
电能收集充电器（E题）
摘
要
本系统以DC——DC变换为主电路，具有升压斩波（BOOST）电路和降压（BUCK）电路。利用低功耗CMOS定时器7555自制PWM发生控制器。同时采用自带D/A、A/D的低功耗单片机C8051－F020作为控制核心，采用电源最大功率定律实现了最大功率控制，使系统尽量多地吸收电源能量，在1.4V至20V以上的电压范围内系统都可以正常稳定地工作，特别适合作为太阳能发电系统的配套模块。外加的显示部分清晰地反映出系统的运行状态。控制和显示电路的间歇式工作方式大大降低了系统自身损耗。
关键词：C8051-F020、开关电源、充电器、7555定时器
一、引言
按电路理论可知，用电源Es直接给电池充电（即充电控制器短路）时，其充电电流最大值只能等于（Es-Ec）/(Rs+Rc)；而题目要求本系统的充电电流Ic>(Es-Ec)/(Rs+Rc)，并且还要求直流电源的电压低于3.6V时也能给电池充电，这也是直接充电不能达到的。因此，本设计中的充电控制电路必须要用到开关电源技术。而且直流电源的电压变化范围为0~20V，因此，系统需要用到升压斩波电路（BOOST变换器）和降压斩波电路（BUCK变换器）。
二、系统总体原理框图
本系统由以下几大部分组成：PWM产生电路、DC-DC变换器主电路、最大能量获取控制电路（单片机）、键盘输入电路和运行状态显示电路。系统总体结构框图如图1所示：
图1
系统结构框图
三、方案论证与比较
1.DC-DC变换方案论证
由题知直流电源的电压调整范围为0—20V。要对3.6V的可充电池充电，则要求充电器的输出约等于3.6V。
因此，以3.6V为界，电源Es输出电压低于3.6V时要用升压电路将电压升高到3.6V；而电压高于3.6V时用降压电路将电压降到约等于3.6V。
方案一：将电源直接短接（或通过电阻）接到电池两端。此方法的电路结构最简单，在Es>3.6V时可以对电池充电,但效率可能较低，经简单计算可知达不到课题中当Es在10V～20V范围内，充电电流
Ic>（Es-Ec)/(Rs+Rc)的要求。当电源电压小于3.6V时，完全无法对电池充电。
方案二：利用开关电源电路（DC——DC变换器）。当直流电源电动势小于3.6V时，用升压斩波（BOOST变换器）电路，当直流电源电动势大于3.6V时用降压斩波电路（BUCK变换器），该方案稳定可靠，控制灵活方便，自身损耗较小，只要控制得当，各项指标均能够达到题目要求。
经过上述比较分析，方案一达不到题目要求；方案二能满足题目要求并且效率较高，故本系统选择方案二。
2、PWM控制器电路选择
方案一：采用专用的脉宽调制集成芯片，例如UC384X，产生频率固定，脉冲宽度可调整的方波脉冲，用输入电源电动势Es（或电流Ic）来调整控制器的输出脉冲宽度，改变脉冲占空比，实现充电电流的调节。
采用此方案具有外围电路简单，
容易控制等优点,但UC384X的工作电压较高，不容易做到以尽可能低的电压对电池充电。
方案二：利用低压型器件自制PWM发生器，例如CMOS定时器CC7555。此方案电路相对复杂些，但7555定时器的工作电压范围宽，自身损耗小，相对来说较容易做到以尽可能低的电源电压对电池充电，并且7555价格便宜又很容易买到，可降低系统成本。
综上，本系统选用方案二来设计PWM控制器。
3、最大功率控制方法及实现方案
方案一：采用常用中小规模模拟集成电路构成模拟反馈控制系统。此方案电路复杂，难调试，且难以优化。
方案二：采用单片机控制。选用内置A/D、D/A的低功耗单片机C8051－F020来控制PWM波占空比。准确测量电源电动势Es及电源端口电压Vi，比较Es/2和Vi的大小，用比较的结果来控制单片机D/A输出电压的增减，进而调节PWM波的占空比。该方案控制精确，可使系统获得最大充电电流。由于采用的是宽电压、低功耗芯片，单片机可直接由蓄电池（Ec）供电，因此整体效率高。
本系统控制方案选择方案二。
4.提高效率的方法及实现方案
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放弃使用常规的高功耗单片机而改用与51系列兼容但内置12位A/D,D/A转换器的新型高性能、低功耗单片机C8051－F020，由于A/D,D/A转换器内置，并具有可编程的前置放大器，外围电路结构简单，性能可靠。内部嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器，显示器采用液晶屏。这样可以减小控制单元电路的损耗，使系统的整体效率提高。此外，因为单片机的计算工作量不大，使用低主频（32768Hz）进一步降低功耗，也扩展了该芯片的电源工作电压范围。
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使用高效率的MOSFET管IRF9530代替传统的双极型晶体管，因为它的开关速度高、导通和关断时间短，开关损耗小，并且是电压控制型元件，驱动功率小，热稳定性好，可靠性高。
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采用低功耗、超高速、反向恢复时间短的肖特基二极管MBR845，可有效降低开关损耗并提高开关频率。
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放弃使用高功耗的专用调制集成电路UC384X,采用低功耗的7555定时器自制PWM发生器。
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由于直流电源Es的变化极缓慢，监测和控制电路采用低频运行（单片机运行主频32768Hz）、间歇工作的方式，当检测到电动势很低的时候，系统无法充电时，关闭控制电路，使其处于待机状态以降低功耗。
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当电源的电压大于7.2V时
，由最大功率传输定理知，当直流电源的输出端电压（充电器输入）Vi=Es/2时电源利用效率最高，也即充电电流最大。因此，本系统间断地检测Es和直流电源的输出端电压Vi，将Vi和Es/2进行比较，比较的结果决定PWM输出的占空比，提高或降低Vi使其与Es/2尽量相等。以尽可能地提高电源的利用效率。
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当电源的电压大于3.6V但小于7.2V时，无法满足最大功率定律，BOOST变换器开关管常通，降低开关损耗，提高效率。
四、电路设计与参数计算
1.
主回路的电路结构与器件选择
主回路DC-DC变换器如图2所示。电路采用的是升、降压合并式电路，它们共用一个电感。当电源电压低于3.6V时，开关K4闭合，K5断开，主回路形成了一个BOOST升压电路。当电源电压高于3.6V时，开关K4断开，K5闭合，形成一个BUCK降压电路对电池充电。
开关管的选择：功率MOSFET具有导通电阻低、负载电流大的优点。栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容（CEI）的充电。本系统降压电路开关管选择IRF9530,升压电路开关管选IRF530。
续流二极管的选择：选用快速恢复的肖特基二极管MBR845。它是一种低导通电压、超高速半导体器件，可大幅降低开关损耗并提高开关频率。
图2
系统主回路电路图
图2中，在电路输入端设置MOS管Q1的作用是用于测量电源的内部电动势Es，当Q1关断时，电源端电压Vi就是电源内部电动势Es（VR1取样，由单片机间歇性控制Q1关断）。
2.
PWM控制电路的设计与参数计算
PWM控制器电路图见图3。电路主要以7555定时器为核心，利用单片机采集的电源电动势Es与电源端口电压Vi比较，增大或减小D/A的输出电压控制7555定时器的5号脚调整PWM波形的占空比，进而控制充电电流Ic的大小，实现系统在最大功率状态下运行。
开关频率计算
当电源电压大于Es>7.2V时，单片机控制PO3为低电平，7555定时器产生PWM调节开关管使系统运行在最大功率状态。
当电源电压大于3.6而小于7.2V时，此时，要对3.6V的电池充电不能够满足最大功率传输定理，如果还用BUCK电路降压，就可能造成开关电路损耗的功率甚至大于提升的输出功率。因此,这种情况下，单片机输出控制端PO3为高电平，7555复位，不产生PWM，主开关管常通，电源直接对电池充电，该方式在此时充电电流是最大的。
图3
PWM控制器电路图
3.
启动电路设计分析
本系统的启动会出现以下两种情况：
（1）
若模拟电池未完全放电，则将电池3.6V的电压通过升压芯片05S05S升至6～7V，提供给PWM发生电路，启动BOOST升压电路。在升压状态下，Es＝0.5V即可启动系统运行。
（2）
若模拟电池完全放电，因为电路处于升压状态，此时开关K4闭合，则输入的电压通过K4、K5、L和升压二极管到达输出端，进行升压供电，经测试，输入电压达到1.4V时即可启动05S05S升压电路，使控制器进入正常工作状态。
4.
单片机系统
采用赛前训练时自制的最小系统板，电路图见附录1。
5.
特色设计
本系统DC-DC变换电路采用的是升、降压合并电路。它利用检测到的Es通过单片机使升、降压电路自动切换。此外，我们在系统中还增加了显示电路。为了降低功耗，监控电路采用的是间歇工作方式。所以，我们可以将电源运行端电压Vi和电源开路端电压Es实时的显示出来，并可通过按键来切换显示数据。同样，我们也可以将充电电流进行采样并显示。在电动势Es很低的时候，关闭控制电路，使其处于待机（休眠）状态以降低系统自身功耗。
五、软件设计
单片机系统程序流程图见附录2和附录3。
此系统采用低功耗增强型51单片机C8051－F020组成的电路可以实现以下三个功能：
1.利用定时器中断间断测试电源电动势Es、端口电压Vi并实时显示。单片机通过内部自带的A/D对电动势和端口电压进行采样，将采集回来的数值在单片机内部进行处理后将数据送往液晶屏进行显示，同时根据比较结果控制D/A的输出来调整PWM波占空比，获得最大充电电流Ic。
2.检测并显示充电电流Ic。将充电电流通过电流——电压转换电路，再通过单片机内部自带A/D将模拟量转换成相应的数字量送给液晶屏显示。
3.当测得电源电动势过低时，单片机自动关闭PWM控制器，并使其处于待机状态以降低功耗。
六、系统测试与分析
1.
测试使用的仪器：VC9801A+数字万用表、SG1732直流稳压电源。
2.
测试数据
1)
充电电流Ic的测量（测量条件：Rs=100欧）
Es/V
4.0
5.0
6.0
8.0
10
15
20
电源端电压Vi/V
3.62
3.65
3.7
4.05
5.02
7.51
10.08
Ic/mA
0.62
9
18
47
66
141
237
2）Rs=100欧时，理论上能向电池充电的最小值为3.6V即K4，K6均闭合时，实验测的值最小值为3.9V,满足题目要求。
3）Rs＝1欧，Es<3.6V，升压状态测试结果（测量条件：Rs=1欧）
Es/V
1.5
1.6
1.8
2.0
2.4
2.8
3.2
Ic/mA
0.12
6
15
34
166
287
351
4）当Es＝0，Ic＝－2.2mA。
5）当电池完全放电时，启动电压Es＝1.4V。
3.
测试结果分析
在降压状态下，由于电源的内阻Rs过大，充电效果相对较差，尽管电源电动势Es较高，输出功率（充电电流Ic）不是很大。而升压状态下，电源内阻小，输出功率较大，但是，由于低压状态下，控制及检测系统需要升压后才能供电，充电器系统自身功耗较大，另外，在低压大电流状态下，电路工作的稳定性相对差一些，测试数据误差较大。
当电池完全放电时，启动电压测试：由于我们未能买到工作电压更低的升压芯片或模组，当Es小于1.4V时无法启动属于正常。如果能买到BAU99等芯片，则可以将启动电压做得更低。
另外，由于PWM控制器的工作电源电压波动范围较大，开关管驱动电压不是足够大，导致低压时开关管可能导通不够充分，开关电源部分的效率随工作电压的波动比较大，还有待改进。
七、结论
本系统采用开关电源并且利用升、降压电路合并式结构使电路得到简化，降低了系统成本，同时也降低了系统的自身损耗。外加的显示部分更清晰的反映出系统的运行状态。控制和显示电路的间歇式工作大大降低了内耗。
控制方案采用电源最大功率定律，使系统尽量多地吸收电源能量，在1.4V至20V以上的电压范围内系统都可以正常工作，特别适合作为太阳能发电系统的配套模块。系统经分块调试和整体调试，各项性能指标都达到或超过了题目要求的指标。
并且，在上述要求的功能之外，系统还增加了运行状态显示功能，使电路状态一目了然。
附录
1.
单片机系统电路图
2.
主程序流程图
3.
A/D中断服务子程序流程图