电能收集充电器

2009 年全国大学生电子设计竞赛

E题：电能收集充电器

摘要

本系统以ATmega16单片机为核心，其自身带有8路10位可选差分输入级可编程增益的ADC，通过输出级采样电路，可实现输出电压稳定和输出电流的间歇检测，将采样信号与ATmega16单片机的设定电压进行比较，从而改变其PW占空比，并由ATmega16单片机输出PW脉宽信号，以达到稳定输出电压的目的。直流变换电路采用典型的单端反激式DC/DC升压变换器，具有结构简单，成本等特点。本设计基本达到所有要求，并且还扩展了监测控制工作间歇的时间设置和显示电路等功能。

关键词：ATmega16L单片机；单片机PW控制；间歇控制

引言

近年来，节能领域出现了一种创新思路：收集零碎能量。收集零碎能量，实际上是将一些零碎的能量收集起来，再转化为电能。由于这个装置收集的是零碎能量，因此它产生的电能主要是为一些微型电器供电。本设计正是采用了收集零

碎能量的思想设计的电能收集充电器，具有能够在输入较低电压的情况下，最大限度的为负载电池提供充电电流。电能收集充电器的市场前景是十分广阔的，不但可以用于日常生活，也可在医疗、工业等领域中大显身手。电能收集充电器不但能大大节省能源，而且可以让我们的生活变得更安全、更舒适。

一、方案论证与比较

1.1、DC/DC主回路变换器的方案论证与选择

方案一：采用单端反激式变换电路，如图1所示，电路仅有一个开关管，隔离变压器的磁通只能单向变化，当有正向偏压加在开关晶体管Q的基极上，Q导通，当集电极--发射极间的电压达到饱和电压时，输入电压为加在变压器的初级绕组上的电压。同时在变压器的次级绕组中感应出反极性的电压，次级的二极管

中没有电流流过，次级绕组处于开路状态。

图1单端反激式变换电路

这时变压器内部没有能量传递，电源提供给初级绕组的能量全部存储在变压器中，开关管断开时，电源停止向初级绕组提供电能，同时变压器绕组产生反向电动势，次级电路二极管导通变压器内存储容量释放出来，给负载供电。其电路

简单，多用于小功率的设备中。

方案二、采用推挽变换电路，如图2所示，推挽变换电路相当两个正激变换器的组合。两个变换器轮流互补工作。变压器一次侧带中心抽头的两个绕组随各自连接的开关管导通而轮流工作，其缺点是存在直流偏磁现象。且两个开关管需要很高的耐压，其耐压必须大于工作电压。

图2推挽变换电路

方案选择：单端反激电路最主要的优点是电路简洁，成本低。推挽变换电路

由于两开关管的特性不对称，导通压降、驱动开关时间不同等而产生直流偏磁现象，导致磁芯饱和；并且推挽式开关电源不宜负载很轻或经常开路的场合。推挽电路适合于大功率场合，考虑到本设计功率较小，因此选用方案一。

1.2、控制方法的方案选择

方案一：采用ATmega16l单片机产生PWM波,控制开关管的导通与截止。根据A/D转换后的反馈电压程控改变PWM占空比，使输出电压稳定在设定值。取样信号经取样电阻送入ATmega16L单片机A/D转换电路，并与设定值进行比较，当输出电压超过设定值，ATmega16l单片机控制PWM脉宽，使其占空比减小。反之, 当输出电压低于设定值，ATmega16l单片机控制PWM脉宽，使其占空比增大。该方案主要由软件实现，配合简单的硬件电路就能达到要求。

方案二：采用PWM专用芯片SG3525其专用芯片具有欠压保护和外部封锁功能，能输出两路波形一致、相位差为180的PWM信号，结合双MOSFE管斩波电路的独特设计，能有效地减少输出电流的纹波，但其外接电源电压较高。实际使用时，在输入电压较低和较高时，PWMi宽调制无法使输出稳定于4.3V。

方案选择：从工作电压考虑，ATmega16L单片机的工作电压为2.5V，正常工作电流为1mA，而PWM专用芯片SG3525的最低电压不能低于8V,功耗相对较大。因此选择方案一。

二、系统设计

基于题目的基本要求，可以采用总体框图如图3所示的方案。系统主要由开关管、DC/DC变换器、稳压输出电路、取样电路、ATmega16单片机控制系统、

键盘电路、显示电路等电路组成。

图3电路总体框图

该电路通过ATmega16单片机控制系统输出PWM脉宽调制信号控制开关管，输入电压经过开关管、DC/DC升压电路、稳压输出电路、向负载提供 4.3V稳定直流电压，取样信号经取样电路向单片机提供一个反馈信号，该反馈信号通过与

设定电压比较，控制PW啲输出脉宽占空比，从而构成一个闭环稳压系统。键盘

电路可设定监测控制工作间歇的时间，显示电路对设定监测控制工作间歇的时间进行显示。

2.1、电路主回路的设计

主回路采用的是单端反激式变换电路，单端反激式变换器又称电感储能式变换器，如图4所示，当开关管83N06T导通时，将电源的能量储存在变压器中，即变压器一次侧电感储能。当开关管截止时，将导通期间的储能传输到二次侧负载。R1、C4 D1构成的吸收电路，用于防止开关晶体管截止瞬间发射极-集电极

间电压的急剧上升，使该电压在安全工作区内，同时减小向外辐射的噪声。由于输入电压相对较低，对吸收电路没有严格要求，本设计选择电阻R1 =22K电容

C4=222和二极管1N4007构成的吸收回路。

2.2、开关变压器磁芯和线圈的选择

单端反激式高频开关变压器是开关电源的关键器件，在电路中兼有储能、限

流和隔离作用，单端反激式变压器不仅作为变压器使用，同时又作为储能电感，它的设计方法与其他类型的变压器不同。其设计参数主要有以下

3项：

(1) 求出原边绕组电感量；

(2) 选择规格、尺寸合适的高频变压器磁芯；

(3) 计算原副边绕组匝数。

求变压器的传输功率Pt ，设滤波电感压降Vlf=0，贝 PT 二

Vo Vf Io 根据计算的Pt 值，选取合适的磁芯尺寸，查EC 磁芯变压器设计基本参数表可得，选用合适的磁芯。

计算变压器一次侧的匝数 Np,可由表查得该磁芯每伏对应的匝数 N1t=0.278. 假设开关管的压降Vce 可以忽略不计，则加入变压器的输入直流电压，则一次绕组的匝数Np 为：

Np 二 N 1t Vindc

计算变压器二次侧的匝数Ns,取Dmax=0.4 (Vo+VfpNp

Ns = Vin min* d

求取一、二次侧绕组每匝对应的窗口绕线面积 Smp 、Sma 。

从表中查得Acw^KO ，贝U Acw *K0 Smp = Np

C1 =^= 1~I 222 C4 *5

C3 _104 50V ?匸 out+ |* C6 /2200u F 心 out-

VCC O<

HER207 L

1 D1

1N400 7

83N06T Q1 R2

PWM 脉冲

10 C2 104 R1

22k 25v/22

0uF 图4单端反激式升压电路