当前位置:文档之家› 电能收集充电器

电能收集充电器

2009 年全国大学生电子设计竞赛E题:电能收集充电器摘要本系统以ATmega16单片机为核心,其自身带有8路10位可选差分输入级可编程增益的ADC,通过输出级采样电路,可实现输出电压稳定和输出电流的间歇检测,将采样信号与ATmega16单片机的设定电压进行比较,从而改变其PW占空比,并由ATmega16单片机输出PW脉宽信号,以达到稳定输出电压的目的。

直流变换电路采用典型的单端反激式DC/DC升压变换器,具有结构简单,成本等特点。

本设计基本达到所有要求,并且还扩展了监测控制工作间歇的时间设置和显示电路等功能。

关键词:ATmega16L单片机;单片机PW控制;间歇控制引言近年来,节能领域出现了一种创新思路:收集零碎能量。

收集零碎能量,实际上是将一些零碎的能量收集起来,再转化为电能。

由于这个装置收集的是零碎能量,因此它产生的电能主要是为一些微型电器供电。

本设计正是采用了收集零碎能量的思想设计的电能收集充电器,具有能够在输入较低电压的情况下,最大限度的为负载电池提供充电电流。

电能收集充电器的市场前景是十分广阔的,不但可以用于日常生活,也可在医疗、工业等领域中大显身手。

电能收集充电器不但能大大节省能源,而且可以让我们的生活变得更安全、更舒适。

一、方案论证与比较1.1、DC/DC主回路变换器的方案论证与选择方案一:采用单端反激式变换电路,如图1所示,电路仅有一个开关管,隔离变压器的磁通只能单向变化,当有正向偏压加在开关晶体管Q的基极上,Q导通,当集电极--发射极间的电压达到饱和电压时,输入电压为加在变压器的初级绕组上的电压。

同时在变压器的次级绕组中感应出反极性的电压,次级的二极管中没有电流流过,次级绕组处于开路状态。

D图1单端反激式变换电路这时变压器内部没有能量传递,电源提供给初级绕组的能量全部存储在变压器中,开关管断开时,电源停止向初级绕组提供电能,同时变压器绕组产生反向电动势,次级电路二极管导通变压器内存储容量释放出来,给负载供电。

其电路简单,多用于小功率的设备中。

方案二、采用推挽变换电路,如图2所示,推挽变换电路相当两个正激变换器的组合。

两个变换器轮流互补工作。

变压器一次侧带中心抽头的两个绕组随各自连接的开关管导通而轮流工作,其缺点是存在直流偏磁现象。

且两个开关管需要很高的耐压,其耐压必须大于工作电压。

图2推挽变换电路方案选择:单端反激电路最主要的优点是电路简洁,成本低。

推挽变换电路由于两开关管的特性不对称,导通压降、驱动开关时间不同等而产生直流偏磁现象,导致磁芯饱和;并且推挽式开关电源不宜负载很轻或经常开路的场合。

推挽电路适合于大功率场合,考虑到本设计功率较小,因此选用方案一。

1.2、控制方法的方案选择方案一:采用ATmega16l单片机产生PWM波,控制开关管的导通与截止。

根据A/D转换后的反馈电压程控改变PWM占空比,使输出电压稳定在设定值。

取样信号经取样电阻送入ATmega16L单片机A/D转换电路,并与设定值进行比较,当输出电压超过设定值,ATmega16l单片机控制PWM脉宽,使其占空比减小。

反之, 当输出电压低于设定值,ATmega16l单片机控制PWM脉宽,使其占空比增大。

该方案主要由软件实现,配合简单的硬件电路就能达到要求。

方案二:采用PWM专用芯片SG3525其专用芯片具有欠压保护和外部封锁功能,能输出两路波形一致、相位差为180的PWM信号,结合双MOSFE管斩波电路的独特设计,能有效地减少输出电流的纹波,但其外接电源电压较高。

实际使用时,在输入电压较低和较高时,PWMi宽调制无法使输出稳定于4.3V。

方案选择:从工作电压考虑,ATmega16L单片机的工作电压为2.5V,正常工作电流为1mA,而PWM专用芯片SG3525的最低电压不能低于8V,功耗相对较大。

因此选择方案一。

二、系统设计基于题目的基本要求,可以采用总体框图如图3所示的方案。

系统主要由开关管、DC/DC变换器、稳压输出电路、取样电路、ATmega16单片机控制系统、键盘电路、显示电路等电路组成。

图3电路总体框图该电路通过ATmega16单片机控制系统输出PWM脉宽调制信号控制开关管,输入电压经过开关管、DC/DC升压电路、稳压输出电路、向负载提供 4.3V稳定直流电压,取样信号经取样电路向单片机提供一个反馈信号,该反馈信号通过与设定电压比较,控制PW啲输出脉宽占空比,从而构成一个闭环稳压系统。

键盘电路可设定监测控制工作间歇的时间,显示电路对设定监测控制工作间歇的时间进行显示。

2.1、电路主回路的设计主回路采用的是单端反激式变换电路,单端反激式变换器又称电感储能式变换器,如图4所示,当开关管83N06T导通时,将电源的能量储存在变压器中,即变压器一次侧电感储能。

当开关管截止时,将导通期间的储能传输到二次侧负载。

R1、C4 D1构成的吸收电路,用于防止开关晶体管截止瞬间发射极-集电极间电压的急剧上升,使该电压在安全工作区内,同时减小向外辐射的噪声。

由于输入电压相对较低,对吸收电路没有严格要求,本设计选择电阻R1 =22K电容C4=222和二极管1N4007构成的吸收回路。

2.2、开关变压器磁芯和线圈的选择单端反激式高频开关变压器是开关电源的关键器件, 在电路中兼有储能、限 流和隔离作用,单端反激式变压器不仅作为变压器使用,同时又作为储能电感, 它的设计方法与其他类型的变压器不同。

其设计参数主要有以下3项:(1) 求出原边绕组电感量;(2) 选择规格、尺寸合适的高频变压器磁芯; (3) 计算原副边绕组匝数。

求变压器的传输功率Pt ,设滤波电感压降Vlf=0,贝PT 二Vo Vf Io根据计算的Pt 值,选取合适的磁芯尺寸,查EC 磁芯变压器设计基本参数表 可得,选用合适的磁芯。

计算变压器一次侧的匝数 Np,可由表查得该磁芯每伏对应的匝数 N1t=0.278. 假设开关管的压降Vce 可以忽略不计,则加入变压器的输入直流电压,则一次绕 组的匝数Np 为:Np 二 N 1t Vindc计算变压器二次侧的匝数Ns,取Dmax=0.4(Vo+VfpNpNs =Vin min* d求取一、二次侧绕组每匝对应的窗口绕线面积 Smp 、Sma 。

从表中查得Acw^KO ,贝UAcw *K0Smp =NpC1 =^= 1~I 222 C4 *5C3_10450V •匸out+|* C6/2200u F心 out-D2VCC O<HER207L 1D1 1N400 783N06TQ1R2 PWM 脉冲10C2 104R1 22k25v/220uF图4单端反激式升压电路Ns选取一、二次侧绕组导体的线径 dp 、ds 。

变压器工作频率50KHz 考虑到高频集肤效应的影响,根据各种频率的穿透 深度△, 50KHz 里的厶=0.25mm 因此在方波脉冲电流情况下线径 d 乞2二0.5mm 0经过理论计算和实际验证,该变压器初次级绕组采用 1:3的比例绕制,初级10匝次级30匝,为了减小漏感,并且均采用多股线并绕的方式。

2.3、控制电路设计控制电路为本设计的核心电路,主要用于产生PW 脉宽信号,采用ATmega16L 单片机实现PW 信号输出。

图5为控制电路的软件流程图,其频率为 50KHZ 由 于ATmega16单片机为高性能、低功耗的8位AVR 微处理器,工作电压为 2.7 : 5.5V ,本设计采用一块可充电锂离子电池为其提供提供正常的工作电压。

在输入电压接通情况下,一旦ATmega16单片机通电产生PW 脉宽信号,输出级 将有稳定的电压输出,在对负载电池充电的同时,经过肖特基二极管 1N5819向ATmega16l 单片机的工作电源充电,为下次正常工作提供可靠电量。

图 6为控制 电路原理图。

Acw * K 0Sms =开机图5整体软件流程图PWM 脉冲输出图6控制电路原理图2.4、输出取样稳压电路设计 输出级由二极管电容整流滤波后, 样电压送入ATmega16单片机先进行脉宽信号,以达到稳定输出电压的目的 较高,可判断空载时的电压为虚电压,不影响实际电路测量。

为了完善电路,采 用8只1N4007串联作为假负载接入输出端使输出电压稳定。

如图 7所示D2匚 out-接单片机40脚取样+3.7VO接稳压输出电路10^^1N414 804 _ C220 Y? 4MHz C1201 2 ~4 5 6' ~8 ""9 10 71 V2 T3 14 16 17 18 19 20PB0 PA0 PB1 PA1 PB2 PA2 PB3 PA3ATM EG16LPB4 PA4 PB5 PA5 PB6 PA6 PB7 PA7 RESET AVREF VCC GND GND AVCC XTAL1 PC7 XTAL2 PC6 PD0 PC5 PD1 PC4 PD2 PC3 PD3 PC2 PD4 PC1 PD5 PC0 PD6PD740 39 38 37 36 35 34 33 32L1 10uH3130 ■29 C328 27 26 04 -25 i2423 2221从电阻R1和R2间得到取样电压,将此采A/D 转换,再与设定值比较,从而输出 PWM 经过实际测试发现,在空载时输出电压I Fl -------- i !|----HER207=6C3 1<-,J out+1N400 7*8R2 22K3.7V 电源C4 104104R122K L 13图7输出及稳压电路2.5、效率的分析及计算效率作为开关稳压电源设计时的重要参数,而影响其效率的因素有:开关晶体管驱动不佳(包括过驱动、驱动不足、反偏置电流不足);变压器设计不佳(包括变压器饱和、变压器漏感大、绕组与磁芯的选用不适宜);整流器特性不佳(包括整流器电压降大、整流二极管反响恢复时间长);扼流圈的原因(包括电感不适、绕组与磁芯损耗大);辅助电路的原因(包括辅助电路功耗大、假负载电流过大、控制电路产生异常振荡)等。

在效率测试时可借助功率表测试。

比如功率表的指示值为Wi,则开关电源的效率,按图7测量计算为空100%图7开关电源效率测量方法三、系统调试调试过程共分三部分:硬件调试,软件调试,软硬件联调。

硬件调试:由于该系统的闭环控制主要由ATmega16单片机自动控制,省去了PW脉宽专用芯片及外围的复杂电路,很大程度降低了硬件电路调试的难度,从而使整机电路功耗降低。

软件调试:本设计主要由ATmega16L单片机产生PWM脉宽信号,因此软件程序在编写中略显复杂,该设计的软件程序完全由C51编写,C语言效率高。

在调试过程中采取的是自上至下的调试方法,单独调试好每一个模块,然后在联结成一个完整的系统调试。

软件流程及程序清单见附录二、附录三。

相关主题