文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)03-0058-03
當前，便攜式電子設備進入千家萬戶，蓄電池已成為便攜式電子設備中不可或缺的組成部分，而充電器在這其中扮演著重要的角色。電池要發揮其設計所需的性能不僅取決于它的設計技術和工藝，而且很大程度上要依賴于充電器的性能。電能收集充電器是一種環保型充電器，能將其他直流電源中極少的電能收集起來充入電池中，以減少能源浪費。本文研制的電能收集充電器就是基于這一思想設計的。采用TI公司的TPS5430和TPS61200兩款新型直流變換芯片作為變換核心，進行模塊化設計制作。實驗驗證了輸入電壓為0.3 V~20 V時，充電器輸出電壓可穩定在3.6 V，能高效地對可充電電池充電。
1 系統方案設計
1.1 系統功能指標
系統研制的目的是實現輸入電壓在0.3 V~20 V下，高效能地對可充電電池充電，其基本結構框架如圖1所示。
1.2 總體方案設計
系統采用單片機C8051F330進行監測和控制，直流電源變換器由DC-DC集成升壓芯片TPS61200和DC-DC集成降壓芯片TPS5430組成。當Es<3.6 V時，單片機控制模擬開關切換到由TPS61200組成的低輸入電壓直流升壓電路；當3.6 V<Es<6 V時，通過C8051F330控制限流開關TPS2010閉合，直接輸出持續的直流充電電流；當6 V<Es<20 V時，單片機控制TPS5430使能有效，切換到TPS5430直流降壓電路，以較高效率向充電池輸出電能。系統總體結構圖如圖2所示。
2 主要硬件電路設計
2.1 降壓電路
當10 V<Es<20 V時，選用DC-DC降壓芯片TPS5430組成降壓電路，TPS5430輸入電壓范圍為5.5 V~40 V，內部集成導通電阻為110 mΩ的MOS管，固定開關頻率500 kHz，最高效率可達到95%。電路如圖3所示。
設定圖3降壓電路輸入電壓為10 V~20 V，輸出電壓3.6 V~5 V可調，電感值為100 μH。濾波電容取值時要考慮實際應用中電路的穩定性(取值不當容易引起電路自激)，同時為了減小輸出紋波，電容ESR值應盡量小。因此在降壓電路中采用100μF的瓷片電容，二極管采用正向導通壓降只有0.3 V的SR360肖特基二極管，以降低損耗。
2.2 升壓電路
當Es<3.6 V時，選用DC-DC升壓芯片TPS61200，TPS61200輸入電壓范圍為0.3 V~5.5 V，輸出可調電壓最大可達5.5 V。選取TPS5430可以使啟動電壓很低，同時為了提高效率，使充電電流升高，采用單片機控制三個開關實現分段控制，開關管可接不同限流電阻，具體電路如圖4所示。
設定圖4升壓電路輸入電壓為0.3 V~3.6 V，輸出電壓為5 V，在圖4中電感值取3.3 μH；輸入電容建議取最小值為4.7 μF的陶瓷電容；輸出電容根據COUT(MAX)=5×L(μF/μH)取值為10μF。
2.3 檢測控制電路
超低功耗單片機C8051F330為監控核心，采用間歇工作方式，可進一步降低能耗，改善充電效果。
3 系統軟件設計流程
本系統每0.5 s通過A/D對直流電源輸出電壓Es和充電電流采樣一次，并通過液晶顯示電壓數值和電流值，同時判斷Es值的大小，控制切換到對應的直流變換器，剩余時間內單片機自動進入休眠模式以降低功耗。系統程序流程圖如圖5、圖6所示。
4 實驗
4.1 測試方法與測試數據
具體測試時，采用穩壓穩流電源作為輸入直流電壓Es，以功率電阻模擬充電器，調節穩壓電壓Es，手動改變內阻Rc，用萬用表和示波器測試電壓與電流記錄數據并分析是否達到設計要求。
(1)10 V<Es≤20 V，Rc=100 Ω，設定Es為20 V，然后逐步減小電壓Es至11 V，用示波器檢測輸出電壓Ec，并記錄雙路穩壓穩流電源的顯示電流，測量數據如表1所示。
4.2 實驗現象
利用示波器檢測直流輸入電壓和輸出電壓波形，考察電壓變換后的波形質量。升壓變換時輸入、輸出電壓對比如圖7、圖8所示。
降壓變換時用電壓靈敏度為5 V/CM的示波器和電壓靈敏度為1 V/CM的示波器對輸入、輸出電壓進行了對比，質量同樣較好。
4.3 數據分析
從以上記錄的數據和實驗現象可知，在20 V≥Es≥0.3 V時，輸出電壓基本穩定在3.6 V；充電電流的峰值出現在Es為3.0 V左右時，充電電流較大。在3.0 V<Es<5.5 V和15 V<Es<20 V兩個分段時，充電電流狀態比較穩定，各項性能都較好，充電電流和輸出電壓均能達到指標要求。
本文研制了一種環保型的電能收集充電器，能將其他直流電源中極少的電能收集起來充入需要電能的電池中，減少了能源的浪費。系統具有便攜、充電器效率高、可靠性高等特點。該系統在低電壓、高靈感度的場合將擁有很好的應用前景，除了用在對廢舊電池剩余電能的收集外，還可用在太陽能充電和電能轉移等領域。
參考文獻
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