一种电能收集充电器的研制

雷丹，赵金

(1.华中科技大学武昌分校机电与自动化学院，湖北武汉430064；2.华中科技大学控制科学与工程系，湖北武汉430068)

当前，便携式电子设备进入千家万户，蓄电池已成为便携式电子设备中不可或缺的组成部分，而充电器在这其中扮演着重要的角色。电池要发挥其设计所需的性能不仅取决于它的设计技术和工艺，而且很大程度上要依赖于充电器的性能。电能收集充电器是一种环保型充电器，能将其他直流电源中极少的电能收集起来充入电池中，以减少能源浪费。本文研制的电能收集充电器就是基于这一思想设计的。采用TI公司的TPS5430和TPS61200两款新型直流变换芯片作为变换核心，进行模块化设计制作。实验验证了输入电压为0.3 V～20 V时，充电器输出电压可稳定在3.6 V，能高效地对可充电电池充电。

1 系统方案设计

1.1 系统功能指标

系统研制的目的是实现输入电压在0.3 V～20 V下，高效能地对可充电电池充电，其基本结构框架如图1所示。

主要指标如下:

(1)在Rs=100 Ω、Es=10 V～20 V时，充电电流Ic＞(Es-Ec)/(Rs+Rc)。

(2)在Rs=100 Ω时，向电池充电的Es尽可能低。

(3)在Rs=1 Ω、Es=1.2 V～3.6 V时，以尽可能大的电流向电池充电。

(4)当Es≥1.1 V时，取Rs=1 Ω；当Es＜1.1 V时，取Rs=0.1 Ω，向电池充电的Es尽可能低。

1.2 总体方案设计

系统采用单片机C8051F330进行监测和控制，直流电源变换器由DC-DC集成升压芯片TPS61200和DC-DC集成降压芯片TPS5430组成。当Es＜3.6 V时，单片机控制模拟开关切换到由TPS61200组成的低输入电压直流升压电路；当3.6 V＜Es＜6 V时，通过C8051F330控制限流开关TPS2010闭合，直接输出持续的直流充电电流；当6 V＜Es＜20 V时，单片机控制TPS5430使能有效，切换到TPS5430直流降压电路，以较高效率向充电池输出电能。系统总体结构图如图2所示。

2 主要硬件电路设计

2.1 降压电路

当10 V＜Es＜20 V时，选用DC-DC降压芯片TPS5430组成降压电路，TPS5430输入电压范围为5.5 V～40 V，内部集成导通电阻为110 mΩ的MOS管，固定开关频率500 kHz，最高效率可达到95%。电路如图3所示。

设定图3降压电路输入电压为10 V～20 V，输出电压3.6 V～5 V可调，电感值为100 μH。滤波电容取值时要考虑实际应用中电路的稳定性(取值不当容易引起电路自激)，同时为了减小输出纹波，电容ESR值应尽量小。因此在降压电路中采用100 μF的瓷片电容，二极管采用正向导通压降只有0.3 V的SR360肖特基二极管，以降低损耗。

2.2 升压电路

当Es＜3.6 V时，选用DC-DC升压芯片TPS61200，TPS61200输入电压范围为0.3 V～5.5 V，输出可调电压最大可达5.5 V。选取TPS5430可以使启动电压很低，同时为了提高效率，使充电电流升高，采用单片机控制三个开关实现分段控制，开关管可接不同限流电阻，具体电路如图4所示。

设定图4升压电路输入电压为0.3 V～3.6 V，输出电压为5 V，在图4中电感值取3.3 μH；输入电容建议取最小值为4.7 μF的陶瓷电容；输出电容根据COUT(MAX)=5×L(μF/μH)取值为10 μF。

2.3 检测控制电路

超低功耗单片机C8051F330为监控核心，采用间歇工作方式，可进一步降低能耗，改善充电效果。

3 系统软件设计流程

本系统每0.5 s通过A/D对直流电源输出电压Es和充电电流采样一次，并通过液晶显示电压数值和电流值，同时判断Es值的大小，控制切换到对应的直流变换器，剩余时间内单片机自动进入休眠模式以降低功耗。系统程序流程图如图5、图6所示。

4 实验

4.1 测试方法与测试数据

具体测试时，采用稳压稳流电源作为输入直流电压Es，以功率电阻模拟充电器，调节稳压电压Es，手动改变内阻Rc，用万用表和示波器测试电压与电流记录数据并分析是否达到设计要求。

(1)10 V＜Es≤20 V，Rc=100 Ω，设定Es为20 V，然后逐步减小电压Es至11 V，用示波器检测输出电压Ec，并记录双路稳压稳流电源的显示电流，测量数据如表1所示。

表1 测量数据表(10 V＜Es≤20 V)

(2)1.1 V＜Es≤10 V，Rc=1 Ω，当5.5 V＜Es≤10 V，记录数据如表2所示。

表2 测量数据表(5 V＜Es≤10 V)

(3)当1.1 V＜Es≤5.5 V，记录数据如表3所示。

表3 测量数据表(1.1 V＜Es≤5.5 V)

(4)Es≤1.1 V，Rc=0.1 Ω，记录数据如表4所示。

表4 测量数据表(Es≤1.1 V)

4.2 实验现象

利用示波器检测直流输入电压和输出电压波形，考察电压变换后的波形质量。升压变换时输入、输出电压对比如图7、图8所示。

降压变换时用电压灵敏度为5 V/CM的示波器和电压灵敏度为1 V/CM的示波器对输入、输出电压进行了对比，质量同样较好。

4.3 数据分析

从以上记录的数据和实验现象可知，在20 V≥Es≥0.3 V时，输出电压基本稳定在3.6 V；充电电流的峰值出现在Es为3.0 V左右时，充电电流较大。在3.0 V＜Es＜5.5 V和15 V＜Es＜20 V两个分段时，充电电流状态比较稳定，各项性能都较好，充电电流和输出电压均能达到指标要求。

本文研制了一种环保型的电能收集充电器，能将其他直流电源中极少的电能收集起来充入需要电能的电池中，减少了能源的浪费。系统具有便携、充电器效率高、可靠性高等特点。该系统在低电压、高灵感度的场合将拥有很好的应用前景，除了用在对废旧电池剩余电能的收集外，还可用在太阳能充电和电能转移等领域。

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