電能收集充電器

1、 一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個電能收集充電器，充電器及測試原理示意圖如圖1。該充電器的核心為直流電源變換器，它從一直流電源中吸收電能，以盡可能大的電流充入一個可充電池。直流電源的輸出功率有限，其電動勢Es在一定范圍內(nèi)緩慢變化，當(dāng)Es為不同值時，直流電源變換器的電路結(jié)構(gòu)，參數(shù)可以不同。監(jiān)測和控制電路由直流電源變換器供電。由于Es的變化極慢，監(jiān)測和控制電路應(yīng)該采用間歇工作方式，以降低其能耗。可充電池的電動勢Ec=3.6V，內(nèi)阻Rc=0.1。二、要求1、基本要求（1）在Rs=100，Es=10V20V時，充電電流Ic大于（Es-Ec）/（Rs+Rc）。（2）在Rs=100時，能向電池充電的Es盡可能低。（

2、3）Es從0逐漸升高時，能自動啟動充電功能的Es盡可能低。（4）Es降低到不能向電池充電，最低至0時，盡量降低電池放電電流。（5）監(jiān)測和控制電路工作間歇設(shè)定范圍為 0.1 s5s。2、發(fā)揮部分（1）在Rs=1，Es=1.2V3.6V時，以盡可能大的電流向電池充電。（2）能向電池充電的Es盡可能低。當(dāng)Es1.1V時，取Rs =1；當(dāng)Es1.1V時，取Rs =0.1。（3）電池完全放電，Es從0逐漸升高時，能自動啟動充電功能（充電輸出端開路電壓3.6V，短路電流0）的Es盡可能低。當(dāng)Es1.1V時，取Rs =1；當(dāng)Es1.1V時，取Rs=0.1。（4）降低成本。（5）其他。說明 1測試最低可充電E

3、s的方法：逐漸降低Es，直到充電電流Ic略大于0。當(dāng)Es高于3.6V時，Rs為100；Es低于3.6V時，更換Rs為1；Es降低到1.1V以下,更換Rs為0.1。然后繼續(xù)降低Es，直到滿足要求。 2 測試自動啟動充電功能的方法：從0開始逐漸升高Es，Rs為0.1；當(dāng)Es升高到高于1.1V時，更換Rs為1。然后繼續(xù)升高Es，直到滿足要求。 在輸入電壓、輸入電流較小的情況下高效收集電能對蓄電池、干電池完成充電。該充電器分升壓電路、降壓電路、控制電路和電池保護(hù)電路?？刂齐娐分杏衫^電器及集成運(yùn)算放大器LM324n完成電路變換。升壓電路主要采用采用max629芯片，降壓壓電路主要采用采用mc34063芯

4、片，電池保護(hù)電路由R5421芯片組成，具有過電流、過電壓、過放電、短路保護(hù)等功能?？刂齐娐仿分惺褂肔M324n芯片決定繼電器兩端電壓，從而決定繼電器中開關(guān)的轉(zhuǎn)換，決定降壓電路、升壓電路的工作狀態(tài)?？刂齐娐窡o需外加輔助電源而能自供電。從而實(shí)現(xiàn)在某一連續(xù)電壓變換中可實(shí)現(xiàn)持續(xù)充電。此充電器充電效率高，而且因?yàn)橄到y(tǒng)由分立元件搭建，成本較低。 1、 電路總體框圖電路總體框圖當(dāng)電壓輸入在0.8v4.0v時，繼電器沒有工作，升壓電路處于連通狀態(tài)，升壓電路工作，開始對充電電池工作。當(dāng)電壓大于4.0v時則通過lm324n進(jìn)行電壓比較后，繼電器兩端電壓達(dá)到吸合電壓，繼電器開始工作，升壓電路停止工作，電路切換，降壓

5、電路開始工作?；究梢詫?shí)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓為0.8v4.8v時實(shí)現(xiàn)持續(xù)充電，且當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓大于4.8v時這該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)恒定電壓對蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓過高、過低或電流過大時電池保護(hù)電路將起作用。4、 升壓電路升壓芯片簡介MAX629是一種低壓供電的低功耗DC-DC轉(zhuǎn)換芯片。80uA電源電流，最大關(guān)斷電流1uA，最高轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)300KHz，輸入電壓在0.8V范圍內(nèi)，輸出電壓可根據(jù)外圍電路參數(shù)變化在- 28V 至+ 28V 之間轉(zhuǎn)換。并獨(dú)有限流脈沖頻率調(diào)制，在各種負(fù)載狀態(tài)下均有很高的效率。是一種成本低廉、使用靈活、外圍電路連接簡單的芯片。MAX 629引腳圖 引腳1：SHDN：關(guān)斷輸入端。

6、當(dāng)SHDN為低電平（邏輯電平）時為關(guān)斷模式；當(dāng)SHDN和Vcc相連時，為正常模式。引腳2：POL：極性輸入端。改變極性和FB的門限值能夠調(diào)節(jié)正極性輸出電壓或負(fù)極性輸出電壓。當(dāng)POL=GND時為正極性輸出電壓；當(dāng)POL=Vcc時為負(fù)極性輸出電壓。引腳3：REF：參數(shù)輸出引腳。引腳4：FB：反饋輸入引腳。引腳5 ISET：Lx電流限制設(shè)置端。該引腳的連接方式參改變片內(nèi)開關(guān)管峰值電流的限制值。引腳6：GND：地線。引腳7：LX：片內(nèi)開關(guān)的漏極端引腳8：Vcc：芯片電源輸入引腳。MAX629升壓電路 升壓電路工作原理二極管采用1N5819 或MBR0540肖特基二極管,電感采用典型值47H ,應(yīng)注意增

7、大電感將減小流過的峰值電流,從而降低輸出電流;而減小電感,又將增大流過的峰值電流導(dǎo)致內(nèi)部電流比較器延時。輸出電壓VOUT由R1,R2確定:R1 = R2(VOUT/Vref- 1) 上式中Vref = 1.25V ,則 VOUT =可見輸出電壓VOUT只與R1 、R2有關(guān),只需選定R1 、R2的阻值,即可確定輸出。 5、 降壓電路降壓芯片簡介 降壓芯片34063是一單片雙極型線性集成電路專用于直流變換器控制部分，能在3.0v40v的輸入電壓下工作、短路電流限制低靜態(tài)電流、輸出開關(guān)電流可達(dá)1.5A（無外接三極管）、靜態(tài)電流1.6mA、輸出電壓可調(diào)、工作振蕩頻率從100HZ至100KHZ、可構(gòu)成升

8、壓、降壓或反向電源變換。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器降壓式變換器和電源反向器。降壓效率最高為80。 MC34063引腳圖MC34063組成的降壓電路2.2k1k降壓電路工作原理1比較器的反相輸入端(腳5)通過外接分壓電阻R1、R2監(jiān)視輸出電壓 。其中，輸出電壓Uo=1.25(1+ R2/R1)由公式可知輸出電壓 。僅與R1、R2數(shù)值有關(guān)，因125V為基準(zhǔn)電壓，恒定不變。若R1、R2阻值穩(wěn)定，U。亦穩(wěn)定。 2腳5電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓125V同時送人內(nèi)部比較器進(jìn)行電壓比較。當(dāng)腳5的電壓值低于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(125V)時，比較器輸出為跳變電壓，開啟RS觸發(fā)器的S腳控制門，RS觸發(fā)器在內(nèi)部振

9、蕩器的驅(qū)動下，Q端為“1”狀態(tài)(高電平)，驅(qū)動管T2導(dǎo)通，開關(guān)管T1亦導(dǎo)通，使輸入電壓Ui向輸出濾波器電容Co充電以提高U。，達(dá)到自動控制U。穩(wěn)定的作用。 3當(dāng)腳5的電壓值高于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(125V)時，RS觸發(fā)器的S腳控制門被封鎖，Q端為“0”狀態(tài)(低電平)，T2截止，T1亦截止。 4. 振蕩器的Ipk 輸入(腳7)用于監(jiān)視開關(guān)管T1的峰值電流，以控制振蕩器的脈沖輸出到RS觸發(fā)器的Q端。 5. 腳3外接振蕩器所需要的定時電容CO電容值的大小決定振蕩器頻率的高低，亦決定開關(guān)管T1的通斷時間。6、控制電路LM324簡介LM324系列運(yùn)算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運(yùn)算放大器。耗損電流低一

10、般在0.8mA，并且與電源電壓無關(guān)?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?.0V-32V或+16V.具有短跑保護(hù)輸出、真差動輸入級、低偏置電流：最大100nA（LM324A）、具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ?、共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源、輸入端具有靜電保護(hù)功能。由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中?？刂齐娐吩韴D5 系統(tǒng)控制電路如圖所示，集成運(yùn)放芯片LM324中由虛短原理得點(diǎn)2，點(diǎn)3的電壓相等。故2點(diǎn)電壓和輸入電壓相等。由虛短原理及歐姆定理得繼電器兩端電壓/輸入電壓=（R1+R2）/R2，故輸入電壓值決定繼電器兩端電壓值?？刂齐娐分?，升壓電路的兩

11、端接到繼電器的常閉觸點(diǎn)，降壓電路的兩端接到繼電器的常開觸點(diǎn)。當(dāng)輸入電壓小于0.8v時，降壓電路、升壓電路均不工作。當(dāng)電壓大于0.8v時，升壓電路開始工作。輸入電壓經(jīng)過集成運(yùn)放后使繼電器兩端的電壓小于繼電器的吸合電壓，故降壓電路不工作。直到輸入電壓升到4.0v后，輸入電壓經(jīng)過集成運(yùn)放后使繼電器兩端電壓大于繼電器的吸合電壓，則降壓電路導(dǎo)通，升壓電路斷開，并且這一段時間該系統(tǒng)對蓄電池進(jìn)行持續(xù)充電。之后升壓電路能夠?qū)崿F(xiàn)恒定的一輸出電壓對蓄電池充電。方案二、控制電路基于R5421的保護(hù)電路R5421將過電流、過電壓、過放電、短路保護(hù)、短路保護(hù)延時、過充電延時的外接元器件置入芯片中，在充電狀態(tài)下過電流的檢

12、測。最大耗電降0.1ASOT23-6SON。 正常狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為A級，通常小于7A。 如上圖所示，該保護(hù)回路由兩個MOSFET（V1、V2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構(gòu)成?？刂艻C負(fù)責(zé)監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C3為延時電容，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下：1、正常狀態(tài) 在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通

13、常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對電路的性能影響很小。 此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為A級，通常小于7A。 2、過充電保護(hù) 電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程，電壓會上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來越小。 電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過4.3V時，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。 在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值

14、）時，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過該二極管對外部負(fù)載進(jìn)行放電。在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 3、過放電保護(hù) 電池在對外部負(fù)載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。 在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓低于2.3V

15、（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而此時由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電器可以通過該二極管對電池進(jìn)行充電。 由于在過放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時控制IC會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個保護(hù)電路耗電會小于0.1A。 在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常設(shè)為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 4、過電流保護(hù) 由于電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家

16、規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C（C=電池容量/小時），當(dāng)電池超過2C電流放電時，將會導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。 電池在對負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓＃够芈冯娏髟龃?，?dāng)回路電流大到使U>0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護(hù)作用。 在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 在上述控制