基于TPS5430 和MAX167 4的智能充电器

出处：computer00 发布于：2010-11-09 14:46:15

摘要：太阳能电池板的便携式充电器是解决通信设备、田间测量仪器等移动式电子产品供电问题的解决方案之一。采用TPS5430 降压电路和MAX167 4 升压电路，由LM393、ICL7660 等元件构成的切换电路为控制，设计具有自启动功能的电能收集充电器。充电器能够根据充电电压的不同，自动切换到不同的DC-DC 变换电路，实现高效、快速充电。测试表明，当充电电源内阻Rs为100 Ω，充电电压Es在10～20 V 范围内，充电电池电动势Ec为3.6 V、内阻Rc为0.1 Ω 时，充电电流Ic>58 mA，自动启动充电电压为3.6 V，电池放电电流为3 mA；而当充电电源内阻Rs为1 Ω，充电电压Es在1.2～3.6 V 范围内时，充电电流可达256 mA。

　　太阳能的开发及利用在大力提倡发展低碳经济的时代背景下日益受到瞩目。我国光伏产业以每年30%的速度增长，近三年太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。而通信设备、田间测量仪器等便携式电子产品的普及使得以太阳能电池板为基础的便携式充电装置倍受青睐，不受地域限制，能够在传统充电器无法工作的场合进行应急或可持续充电。目前，充电电池的充电技术主要有电压负增量控制、时间控制、温度控制、电压控制技术等。假设充电电池的电压保持恒定的条件下，利用LM393、ICL7660等元件构成的切换电路控制，由TPS5430 降压电路和MAX167 4 升压电路组成智能充电器，由可调直流电源模拟当太阳能电池板的输出电压大范围变化时，实现充电器的自动启动并尽可能地增大充电电流来实现充电效率的提高。

　　1 理论分析与计算

　　充电器的测试原理示意图如图1 所示。假定太阳能电池板的输出功率有限，电动势Es在一定范围内缓慢变化，监测和控制电路采用间歇工作方式，以降低能耗。可充电池的电动势Ec恒定为3.6 V，内阻Rc为0.1 Ω。

　　直流电源电动势为Es，电源内阻为Rs，可充电池电动势为Ec，可充电池内阻为Rc，充电电流为Ic，为防止电流倒灌，在可充电池两端并联电阻Rd。理想情况下，充电器的输入阻抗与电源内阻匹配，此时直流电源输出功率为，充电器输出功率为，则效率为。由此可得，当Rs=100 Ω，Es=10 V 时，Ps=0.25 W，Ic>64 mA，η >92.16%；当Es=20 V 时，Ps=1 W，Ic>160 mA，η>57.6%。为了尽可能提高高电压时的充电效率，除选用TPS5430 构成降压电路外，应尽量降低切换电路的开关频率。电路中主要功耗元件是功率场效应管（FET），在低频情况下，功率FET 主要是传导损耗，在高频情况下，传导损耗维持不变，同频率有关的损耗会增大。较高或较低的开关频率均会使效率降低，综合考虑各因素并结合试验，测得开关频率为500 kHz 时效率为94.35%。

　　2 硬件电路设计

　　充电器硬件电路组成框图如图2 所示。充电器由切换电路自动判断直流电源输入电压，选择升压或降压电路，实现在工作电压范围内自动切换，模拟对充电电池的充电效果。

　　2.1 切换电路设计

　　切换电路用于切换充电器升压工作和降压工作两种模式。设定切换的阈值电压为3.6 V，阈值电压由可调电阻设定并可调。充电电压超过阈值电压时降压电路工作，低于阈值电压时升压电路工作。切换电路由场效应管、电压比较器等分立元件构成，原理图如图3 所示。

　　图3 中，输入端VIN （P1）接充电电源，输出端P2 接MAX167 4升压电路的输入端，肖特基二极管VD1用于防止电流倒灌。稳压器TL431 为电压比较器LM393 的负输入端提供参考电压。输入端VIN（P1）通过滤波后接入电压比较器LM393 的正输入端。调节R_ad可调电阻，使输入小于3.6 V 时电压比较器LM393 输出负电压，P 沟道MOS 管IRLM16402VQ1、VQ2和VQ3导通，VQ1，VQ2的漏极连接升压电路，使切换电路输入、输出端短接，使充电电压接至升压电路。当输入大于3.6 V 时，输出高电平，VQ1、VQ2和VQ3截止，此时MAX167 4升压电路无输入。VD2、VD3的作用是当电压大于3.6 V 时，LM393的负电源端接地；当电压小于5.5 V 时，LM393 负电源通过VQ3接ICL7660 的负电压输出引脚。

　　2.2 升压/降压电路设计

　　升压电路主要由升压式DC-DC 电源转换器MAX167 4组成，升压后输出4 V 直接对电池进行充电。MAX167 4升压电路如图4 所示。

　　图4 中，升压芯片的储能电感L1接MAX167 4的LX 引脚，电阻R1、R2和R3构成反馈网络，将输出电压反馈至FB 引脚，芯片内部保持输出电压恒定。选取25 μH 电感和680 μF电容组成一阶低通滤波器，截止频率，以削弱纹波对输出电压的影响。

　　降压电路主要由降压DC-DC 转换器TPS5430 组成，降压后直接对电池进行充电。TPS5430 降压电路如图5 所示。

　　经测试，综合考虑效率因素，选定开关频率为500 kHz，输入端的电容C6和C7为旁路电容和降压滤波电容，由于转换器中开关在导通瞬间需要较大电流，通过旁路电容吸收瞬间大电流和滤除高频噪声信号使芯片保持稳定工作。电路输出功率越大，工作频率越低，对应的电容值也应越大。选取等效串联电阻阻值低，容值为10 μF 的电解电容。根据芯片数据资料，输出端电感L1的取值按公式计算，可得所需的电感值是15.8 μH，选取内径30 mm 的铁硅铝磁芯自行绕制的电感值为18 μH，以保证在额定的工作状况下不会出现磁饱和。电阻R1、R2和R3构成反馈网络，将输出电压反馈到芯片的VSNS 引脚，该芯片自动调节输出电压，保证充电器输出端输出电压恒定。

　　3 试验结果及分析

　　1）电源内阻Rs=100 Ω，调整Es的大小，使其在10～20 V范围内变化，记录数据如表1 所示。

　　由表1 可见，在Es为10 V 时，实测充电电流与理论值存在5.9 mA 的偏差，充电电流低、充电器的转换效率不高可能与芯片的转换效率和输入电压有关，由TPS5430 的数据资料可知，在输入电压为10 V 左右，输出电流约为60 mA 时，其工作效率约为92%。而在12～20 V 范围内，实测充电电流大于理论计算充电电流值。

　　2）逐渐降低Es，直到充电电流Ic略大于0 时，记录对应的电源电压Es，该电压即为可充电电压。为保证准确性，对多个不同的电源电压值进行测试，选取3 组数据记录如表2 所示。

　　由表2 可见，当Es下降到3.6 V 时，充电电流为0，充电器不能再对电池进行充电，故可充电电压为3.6 V。

　　3）从0 开始逐渐升高Es，Rs为0.1 Ω；当Es升高到高于1.1 V 时，更换Rs为1 Ω。然后继续升高Es，直到充电电流略大于0，记录此时的电源电压值，该电压即为自动启动充电功能的启动电压。为保证准确性，对多个不同的电源电压值进行测试，选取4 组数据记录如表3 所示。

　　由表3 可见，当Es小于3.6 V 时，充电电流持续为0，一旦Es上升到3.6 V 后，充电电流由0 开始增加，即自动启动充电电压为3.6 V。

　　4）Es降低到不能向电池充电，至0 时，检测放电电流。为保证准确性，对多个不同的电源电压值进行测试，选取3 组数据记录如表4 所示。

　　由表4 可知，当电源电动势下降到可充电电压时，电池开始放电，放电电流为3 mA。考虑到放电电流受倒灌电阻Rd影响，改变Rd的大小可改变放电电流。试验表明，Rd=15 Ω 时放电电流。

　　5）接上电源内阻Rs=1 Ω，调整Es，使其在1.2～3.6 V 范围内变化。数据记录如表5 所示。

　　由表5 可见，随着电源电势的增加，充电电流也随着增加，直到当Es达到3.2 V 时，充电电流不再跟随电源电势变化。当电源电势为3.2 V 时，充电电流，为256 mA。导致充电电流突变的原因是升压器件MAX1* 在不同输入电压下转换效率不同。由于MAX1* 在超过3 V 电压下工作时转换效率低，所以充电电流出现非线性的突变。

　　6）当Es≥1.1 V 时，取Rs =1 Ω；当Es＜1.1 V 时，取Rs=0.1 Ω。测量向电池充电的Es，记录数据如表6 所示。