畢業(yè)論文-基于mppt的太陽能手機充電器的設(shè)計與仿真-資料下載頁

　　

【正文】 BOOST 結(jié)構(gòu)、電壓型 PFM 控制模式的 DCDC 轉(zhuǎn)換電路。芯片內(nèi)部包括輸出 電壓反饋和修正網(wǎng)絡(luò)、啟動電路、震蕩電路、參考電壓電路、 PFM 控制電路、過流保護電路以及功率管。 MCC6288 所需的外部元器件非常少，只需要一個電感、一個肖特基二極管和輸入輸出電容就可以提供 到 的穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。 PFM 控制電路 是 MCC6288 的核心，該模塊根據(jù)其他模塊傳遞的輸入電壓信號、負載信號和電流信號來控制功率管的開關(guān)，從而達到控制電路恒壓輸出的作用。在 PFM 控制系統(tǒng)中，固定震蕩頻率和脈寬，穩(wěn)定的輸出電壓是根據(jù)輸入 輸出電壓比例以及負載情況通過削脈沖來調(diào)節(jié)在單位時間內(nèi)功率管導(dǎo)通時間來實現(xiàn)。震蕩電路提供基準震蕩頻率和固定的脈寬。參考電壓電路提供穩(wěn)定的參考電平。并且由于采用內(nèi)部的修正技術(shù)，保證了輸出電壓精度達到 177。 %，同時由于參考電壓經(jīng)過精心的溫度補償設(shè)計考慮，使得芯片的輸出電壓的溫度漂移系數(shù)小于 100ppm/℃ 。高增益的誤 差放大器保證了在不同輸入電壓和不同負載電流情況下穩(wěn)定的輸出電壓。為了減小輸出電壓的紋波和噪聲，誤差放大器采用施密特比較器結(jié)構(gòu)，同時具備很快的響應(yīng)速度。 BOOST 結(jié)構(gòu) DCDC 轉(zhuǎn)換器的功率損耗主要是由于電感的寄生串聯(lián)電阻、肖特基二極管的正向?qū)▔航怠⒐β使艿膶?dǎo)通電阻以及控制功率管信號的驅(qū)動能力這四個方面，當然芯片本身消耗的靜態(tài)功耗在低負載的情況下也會影響轉(zhuǎn)換效率。為了獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，除了用戶選擇合適的電感、肖特基二極管和電容外，芯片內(nèi)部的功率管導(dǎo)通電阻也非常小。功率管有驅(qū)動能力很強的驅(qū)動電路驅(qū)動，保證功率 管開關(guān)時的上升沿和下降沿很陡，大大減小了開關(guān)狀態(tài)時的功率損耗。 首先定義： VoutVinVoutD ?? (32) ： 2f RD)D(1L L2?? (33) 可計算得電感值為： ，本設(shè)計中取值為 10μH。 ： γRfDC? (34) 可計算的輸出電容為： 14μF，本設(shè)計中取值為： 15μF。 ：正向?qū)妷旱汀⒎磻?yīng)時間快的肖特基二極管 IN5820，峰值反向電壓 VRRM =20V，正向平均整流電流 IF=3A,正向?qū)▔航?VF=。 第 3章 基于芯片的太陽 能手機充電器設(shè)計 21 10uF 以上的濾波電容，用于減小輸出的噪聲。 MCC6288 的應(yīng)用電路如圖 33所示。 E X T L XG N D V o u t E NV I N V O U T 圖 33 MCC6288 應(yīng)用電路 本章小結(jié) 本章主要介紹了基于集成芯片的太陽能手機充電器的硬件電路設(shè)計，重點介紹了蓄電池充電控制芯片 CN3606 與放電升壓芯片 MCC6288 的功能及應(yīng)用電路設(shè)計 。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 22 第 4章 基于 MPPT 的太陽能手機充電器硬件設(shè)計 第 3 章所設(shè)計的基于集成電路的太陽能手機充電器能夠很大程度上簡化電路的設(shè)計，降低耗能，減少生產(chǎn)成本。但是，它也存在一些缺陷：無法使太陽能電池工作在最大功率處，不能夠?qū)崿F(xiàn)真正的智能控制，沒有顯示設(shè)備，而且集成電路對電路的散熱要求更 高，修理成本高。因而，本章將重點介紹一種以單片機為核心的能實現(xiàn) MPPT 的太陽能手機充電器的設(shè)計。它可以檢測到電池充電飽和時的電壓信號變化，然后精準地結(jié)束充電。它還有許多的優(yōu)點，如可靠性高、操作簡單，具有安全性和通用性等 , 代表著未來充電器發(fā)展方向。 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計要求 本設(shè)計要完成的主要任務(wù)是：太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并把電能儲存在蓄電池中，為手機提供穩(wěn)定的充電電源。具體包括：在恒流充電階段能夠自動調(diào)整太陽能電池的負載，以實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤；太陽能充電器在 陽光下能夠給蓄電池進行充電，也可以為手機充電，蓄電池在任何時候可以提供穩(wěn)定的電源給手機充電；系統(tǒng)具有充放電選擇和指示功能 []。 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計 。本設(shè)計選擇的太陽能電池板的參數(shù)具體為： 開路電壓,短路電流 ,最大電壓 4V,最大電流 ，峰值功率 5W。 。選擇型號為 PL526067M 的鋰離子電池作為儲能蓄電池，標稱電壓 ，充電終止電壓 ，放電終止電壓 ，額定容量 2200mAh，外形尺寸是。 。輸入電壓的額定值為 4V,最大值是 。 輸出電壓額定值為 ，變化的范圍是 到 。 。輸入電壓額定值是 ，輸出電壓是 5V，輸出電流 1A，工作頻率 50KHz。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計所設(shè)計的太陽能手機充電器主要包括以下幾個部分：太陽能電池板、蓄電池充電電路、蓄電池放電電路、控制電路、按鍵及顯示電路。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖 41所示。 第 4章 基于 MPPT的太陽能手機充電器設(shè)計 23 BOOST 電路BOOST 升壓電路手機太陽能電池蓄電池ADC 0809 ADC 0809驅(qū)動電路驅(qū)動電路單片機按鍵 顯示供電K 1 按下K 2 按下K 3 按下 圖 41 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 當選擇為蓄電池充電模式時，太陽能電池后所加 BOOST 電路的作用是 :當蓄電池兩端的電壓小于 時，輸出 100mA 的電流進行預(yù)充電；當蓄電池兩端的電壓在 到 之間的時候，即在恒流充電階段，首先進行太陽能電池的最大功率跟蹤 (通過PWM控制變換器的占空比，來調(diào)整太陽能電池的負載為最佳匹配負載，通過直接檢測太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，連續(xù)計算太陽能電池的輸出功率，通過尋優(yōu)的方法來獲得太陽能電池的最大輸出功率 )，輸出電流會逐漸上升直 至達到闕值 (最大充電電流值1A)，中止最大功率跟蹤開始恒流充電，當外界條件發(fā)生變化使輸出電流小于最大充電電流時，則轉(zhuǎn)入最大功率跟蹤直到輸出電流達到闕值，如此電路在最大功率跟蹤與恒流充電方式自由切換，直到蓄電池兩端的電壓達到 為止；在恒壓充電階段，使 BOOST電路輸出恒定的 直到充電電流將為 100mA。當選擇為手機直接充電時， BOOST電路將太陽能電池的輸出電壓升壓到穩(wěn)定的 5V，直接對手機充電。 放電電路是 BOOST 升壓電路，將蓄電池輸出的電壓升壓到 5V，為手機提供穩(wěn)定的電源進行充電。 控制電路的核心器件是單片機，具體的電路包括 :單片機外圍電路、采樣電路、驅(qū)動電路、輔助電源電路。可以根據(jù)采樣的太陽能電池輸出的電壓與電流信號，調(diào)節(jié) BOOST電路占空比來實現(xiàn)太陽能最大功率跟蹤和蓄電池充電控制；可以根據(jù)蓄電池兩端電壓信號的檢測判斷是否可以充放電，保護蓄電池；可以根據(jù)蓄電池輸出電壓信號的檢測，調(diào)節(jié)放電電路 BOOST 電路占空比使輸出電壓穩(wěn)定。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 24 具體硬件電路的設(shè)計 基于 MPPT的蓄電池充電控制電路設(shè)計 太 陽 能電 池 板 R S +R S +R S R S O U TSHDNGND單 片 機A D C 0 8 0 9 驅(qū) 動 電 路 圖 42 最大跟蹤電 路圖 太陽能電池的最大功率跟蹤電路如圖 42 所示，包括了屏蔽二極管、電壓檢測電路、電流檢測電路以及 BOOST 電路。 (1)屏蔽二極管 屏蔽二極管的作用是用來防止太陽能電池輸出電壓低于蓄電池兩端電壓時，蓄電池向太陽能電池倒送電能從而消耗蓄電池的能量并導(dǎo)致太陽能電池板發(fā)熱的情況。屏蔽二極管的選型為：采用肖特基二極管 RHD31R40， 其峰值反向電壓 VRRM =40V，正向平均整流電流 IF=3A,正向?qū)▔航?VF=。 (2)BOOST電路設(shè)計 綜合 考慮單片機的時鐘頻率、 PWM 分辨率、電感體積、電路損耗以及噪聲干擾等因素，本設(shè)計選擇的開關(guān)頻率為 50KHz。 直流升壓電感的設(shè)計目標是紋波電流不超過某個要求值，本設(shè)計中按照經(jīng)驗以直流側(cè)額定電流的 20%作為紋波電流的上限。 BOOST 電路在連續(xù)工作模式下有 : D1VV inout ?? (41) TDLVI inp ??? (42) 由式 (41)和式 (42)可得： D)D(1LfVI outp ?? (43) 第 4章 基于 MPPT的太陽能手機充電器設(shè)計 25 計算可知當占空比為 時，紋波電流達到最大，可得電感的計算公式： f4IVL pmaxout?? (44) 式中 Vin—— 太陽能電池的輸出電壓； Vout—— BOOST 電路的輸出電壓； D—— 占空比； T—— 周期； f —— 開關(guān)頻率； Ip—— 電感紋波的峰值電流； Ipmax—— 電感紋波最大峰值電流。 將參數(shù) Vout=8V， Ipmax=， f=50KHz 代入式 (44)可以計算出電感 L=，本設(shè)計取電感值為 47μH。 為了減小電感紋波電流對太陽能電池板的沖擊，需要在 BOOST 電 路的輸入端加入一個電容，設(shè)計的目標是在電感紋波電流達到最大的情況下，電容上的紋波電壓不能超過輸入電壓的 1%，在連續(xù)工作模式下，電感與電容能量相互傳遞，可以得到以下計算公式： ? ? ? ?? ????? 2inin2inin 0 .0 0 5 VV0 .0 0 5 VV0 .5 C ? ? ? ?? ?2p m a x2p m a x /2II/2II0 . 5 L ??? (45) 即： ? ? ? ?? ? ? ?2inin2inin2pm a x2pm a x /2II/2IILC ??? ????? (46) 將參數(shù) L=47μH， I=1A， Ipmax=， Vin=4V 代入公式 (46)中，計算得 C= 本設(shè)計取輸入電容值為 360μF。 輸出濾波電容的選擇要滿足輸出電壓紋波的要求，本設(shè)計要求輸出電壓紋波不超過輸出電壓的 1%。輸出電壓紋波由輸出電容 Co 和等效電阻 Rco 確定，而 CoRco 的值一般為常數(shù)，本設(shè)計取為 65μF，因此輸出電容的選擇通過選擇合適的 Rco 來確定。由以下公式： Loco ΔIΔVR ? (47) coo R65C? (48) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 26 可計算出 Co=39μF，因此，本設(shè)計的輸出濾波電容取為 39μF。 考慮開關(guān)管流過的電流的最大值與關(guān)斷時承受的最大反向電壓，本設(shè)計最終選擇 N溝道的 MOSFET 管 NCE3010， 其額定電壓為 VDS=30V，額定電流為 ID=10A。 本設(shè)計二極管的選型為快恢復(fù)二極管 IN5822,其反向峰值電壓 VRRM =40V，正向平均整流電流 IF=3A。 蓄電池放電電路 本設(shè)計選用 BOOST 電路為蓄電池的放電電路。將蓄電池輸出的 升高到穩(wěn)定的 5V，然后為手機充電。而且為了給輔助電源提供能量以及對蓄電池的保護，當檢測到蓄電池兩端電壓低于 時，利用單片機關(guān)斷放電電路。放電電路如圖 46 所示。 蓄電池ADC 0809單片機ADC 0809手機驅(qū)動電路 圖 46 BOOST 放電電路 BOOST 電路的工作原理已在 節(jié)中詳細介紹過了。將參數(shù) Vin=， Vout=5V，Ipmax=， f=50