一種電能收集充電器的研制

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Es3.6 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 VEs6 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 VEs20 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 VEs20 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Es3.6 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。