光能手机万能充电器

光能手机万能充电器 摘要:此设计是用TMS320F28027的DSP作为主控芯片，制作了一部太阳能充电和和逆变装置。设计主要采用了DC-DC变换器，推挽变换器，DC-AC变换器，通过算法寻找太阳能电池的最大功率点。 关键词：DSP、充电、buck电路、最大功率点跟踪、登山法、 一、引言： 能源是为人类的一切活动提供不同种类能量的资源，是人类社会最重要的基础资源之一，可以说是与人类的现在与未来密不可分的一种物质，也因此备受人们关注。 能源按消耗后是否产生污染分为污染型能源（如化石燃料等）与清洁型能源（如水能、风能、太阳能等）。在和谐社会与可持续发展的理念下，清洁型能源自然成为了当前各界关注的重点。清洁型能源中的太阳能更是以其覆盖面广，环境限制低，又无需运输等优点而成为人们关注的焦点。 太阳能的开发与利用主要分为热能利用以及光能利用： 一方面人们通过利用阳光加热水产生蒸汽等方式以利用其内能，另一方面人们用太阳能电池将太阳能转化为电能来进行利用。综合比较，因电能更易储存和输送，将太阳能转化为电能更有利于人们对太阳能的综合利用。因此太阳能电池在近几十年中不仅是人们重点关注的问，也是科学家最感兴趣的话题之一。 我们这次做的设计主要围绕着太阳能充电展开，通过不同的的最大功率点跟踪算法追踪太阳能电池最大功率点来提高太阳能的能源利用效率，利用太阳能电池给蓄电池充电，再通过蓄电池的降压给手机充电或逆变出交流电作为临时电源。此设计可以给人们带来很大的便利，不管是居家还是旅行都能充分利用太阳的能量， 也能减小因能源问题所带来的负担，具有一定的发展前景。 我们所需要解决的问题包括了太阳能最大功率点的跟踪，DC-DC变换电路和逆变电路。 二、系统： 本设计使用了TI公司的TMS320F28927的DSP芯片，通过采样和多路输出PWM波来控制多块充电电路，逆变电路以及太阳能最大功率点的跟踪，充分利用芯片的各个功能。总体电路有模拟太阳能电池、buck电路、光耦驱动电路、推挽电路、全桥逆变电路、蓄电池和DSP等组成。如硬件框图所示，DSP通过对模拟光伏电池的输入电压和电流采样来追踪最大功率点；并通过对输出电压的采样来控制和限制给蓄电池充电的电压；再由蓄电池作为电源，DSP通过采样另一块buck电路的输出电压来控制给手机充电的电压；推挽电路DSP输出PWM控制开关管开断，经过变压器进行电压放大，于电压输出端采样稳定电压输出，再通过DSP输出SPWM进行全桥逆变实现DC-AC。 三、系统硬件设计 1、硬件系统电路框图： PWM 手机 DC-DC电路 蓄电池 PWM 采样 Is Us 采样 DSP芯片 驱动电路 DC-DC电路 模拟太阳能电池 推挽电路 DC-AC电路 负载 采样 采样 2、DC-DC变换器工作原理： 本设计经过太阳能光伏板收集到太阳能，然后经过DC-DC变换器给蓄电池充电，使输入输出阻抗实现匹配；再由蓄电池经过DC-DC变换给手机充电。 目前，常见的DC-DC变换电路有Buck电路、Boost电路和SEPIC电路，我们的设计主要采用Buck电路作为DC-DC转换电路。 buck降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。 IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。 3、Buck电路工作原理 Buck基本原理图a 如图b中V的栅射电压UGE波形所示： t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E,负载电流i0按指数曲线上升； t=t1时刻V关断，二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流i0呈指数曲线下降; 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小； 至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一个周期的过程。 4、电路中的数量关系 当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图b中所示。负载电压的平均值为:               式中，ton为V处于通态的时间;toff为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。 负载电流平均值为 若负载中L值较小，在T关断后，到了t2时刻，如图c所示，，负载电流已衰减至零，出现负载电流断续的情况。 电流断续时，u0平均值会被抬高，一般不希望出现。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式： 1） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制（PWM控制方式）； 2） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制； 3） ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。 其中PWM控制方式应用最多。 5、推挽变换器结构与工作原理 推挽变换器组成如下图所示，它由初级带有中心抽头的变压器、两只开关管、整流二极管、滤波电感、滤波电容组成。本设计中开关管采用MOSEFET。 推挽变换器主电路 输出整流电路可以接成全波整流和桥式整流两种形式。与桥式整流电路相比，全波整流电路可以减小整流二极管个通态损耗，提高效率，但要求整流管的耐压较高，变换器次级需要中抽头。由于条件受限，本设计中采用桥式整流结构。推挽变换器中，两个开关管的发射极都接在电源负端，驱动不必隔离，十分方便。 工作过程： 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N’1两端分别形成相位相反的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。 S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升。 S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L的电流也逐渐上升。 当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。 S1和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。 输出电压(滤波电感L电流连续时)：                     (5-1) 输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式（5-1）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， 。 推挽变换器的主要元器件是脉宽调制器PWM、变压器、隔离反馈电路以及开关管和整流管。 推挽电路的理想化波形 6、DC-AC变换器工作原理 在本设计中，DC-AC变换器采用全桥逆变电路，主电路如下图所示，它由四只开关管、反并联二极管，以及输出变压器、次级整流滤波等构成。 全桥变换器主电路 全桥型变换器理想化波形 工作过程： 全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。 当S1与S4开通后，二极管VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升； S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。 当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。 如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流电流，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。 输出电压： 滤波电感电流连续时： (6-1) 输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于式（6-1）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 。 7、Buck降压电路的实际运用 TLP250光耦驱动 驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。该部分主要需完成以下几个功能： 1、提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断； 2、提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通； 3、尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率； 4、足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘； 5、具有灵敏的过流保护能力。 针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计，主要采有用了TLP250芯片进行光耦隔离的工作方式，并且增加了一些外围电路对输出波形进行了修正，使输出端输出较为完美的PWM波。 Buck降压主电路： buck主电路中的器件保护电路 当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件，同时也能修正输出波形。 为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图所示。 8、推挽变换器及DC-AC电路的实际运用    1.推挽变换器 本设计中此电路电源输入为12V，通过开关管和变压器作用输出电压为300V。电路中在全波整流的输出端取一采样点，反馈至28927芯片，通过反馈控制进行稳压。 2. DC-AC电路 控制全桥逆变电路的SPWM波和逆变电路如上图所示，通过程序对SPWM的设置工作与死区时间，控制开关管的导通和关断。为了保护电路，在导通时先导通下管Q2、Q5，从而使DC-AC电路正常工作。 在推挽电路和全桥逆变电路的结合下，电路是通过先使12V输入放大稳压到300V，在进行逆变转换了220V交流进行输出。 9、实际电路原理图 Buck电路1（用于太阳能最大功率点跟踪以及蓄电池充电） 电路中DSP对三点进行了采样，在P11处对输入电压的采样，P2与P3之间为电流采样，这两点的采样主要是为了追踪太阳能的最大功率点；P10处是对输出电压进行采样，用来限制输出端的充电电压。此电路在阳光充足的情况下工作最佳。 Buck电路2（用于把12V蓄电池输出电压降压并稳压至5V，给手机充电） 推挽电路 逆变电路 四、系统软件设计 最大功率点跟踪算法 为了能尽最大可能的利用太阳能，一般都会对太阳能的输出进行控制以达到最大的出输功率。人们提出了各种最大功率点跟踪( M)的方法，比如登山法、电导增量法、三点比较法、恒定电压法等。最大功率点跟踪算法是太阳能光伏转换系统的重要部分，算法效率的高低直接影响着光伏转换系统的效率，因此对其进行分析与研究是非常必要的。  MPPT（最大功率点跟踪）的工作原理为：在一个规定的周期内，微处理器定期地主动调节PWM的占空比D，改变太阳能电池的输出电流，从而引起太阳能电池的输出电压变化，太阳能电池输出电压及输出电流，计算出太阳能电池阵列的输出功率，然后根据最大功率点跟踪策略寻找最大功率点的位置。 登山法 登山法是目前实现MP P T最常用的方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或减少电压，并观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。在本系统的硬件环境下，通过实验验证，在登山法设定步长相同的情况下，最大功率点所工作的占空比越大，那么功率的波动幅度就会越大，即功率的损失越大。因此，步长值的设定应该随着占空比的增大而减小，这样就会使在最大功率点附近的功率损耗达到最低，从而实现了可调步长的登山算法。可调步长登山法的优点如下：  ( 1 ) 跟踪方法简单， 实现容易；  ( 2 ) 可调步长的登山法虽然也是在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，但是功率的损失已经尽可能地减小 ；  ( 3 ) 对传感器精度要求不高。  为了减小功率的损失，本设计使用了登山法。 算法流程图如下： 小 初始化周期寄存器为2000.(15kHZ) 比较寄存器pwm为1000.(50%占空比) Di为1(PWM占空比增大方向) Step为20 每次采样1000进行一次控制。 具体算法如下： #define SETP 20 MPPT_New = _IQmpy(VV,AA);                     error = MPPT_New - MPPT_Old;                     if (_IQabs(error)<_IQ(0.05)) error = 0;                     if (di==1)                     {                         if (error > 0)                         {                             setp = SETP;                         }else     if (error < 0)                         {                             setp = -SETP;                             di= -1; }else if (error ==0 && epwm3_info.EPwmRegHandle->CMPA.half.CMPA>1000)                         {    setp = -SETP;                             di= -1;}                             else    setp = SETP;                     }else                     {                         if (error > 0)                         {                             setp = -SETP;                         }else     if (error < 0)                         {                             setp = SETP;                             di= 1; }else if (error ==0 && epwm3_info.EPwmRegHandle->CMPA.half.CMPA>1000)                             setp = -SETP;                             else    { setp = SETP;                             di= 1;}                     }                 }             epwm3_info.EPwmRegHandle->CMPA.half.CMPA + = setp;             MPPT_Old = MPPT_New; BUCK电路采用的PID算法 采用增量式PID算法，具体实现如下代码. long PIDCalc( PID *pp ) {     _iq  error,d_error,dd_error; //相当于公式中的e(k),e(k)-e(k-1),e(k-1)-e(k-2)     error = (pp->vi_Ref - pp->vi_FeedBack); //求e(k)     if (error < pp->VV_emin && error >-(pp->VV_emin)) return 0;          d_error = error - pp->vi_PreError;                  //求e(k)-e(k-1)     dd_error = d_error - pp->vi_PreDerror;     //求{e(k)-e(k-1)}-{e(k-1)-e(k-2)}     pp->vi_PreError = error;                //保存当前e(k)      pp->vi_PreDerror = d_error;            //保存这次的e(k)-e(k-1)     pp->vl_PreU += _IQmpy(pp -> v_Kp, d_error) + _IQmpy(pp -> v_Ki ,error)  + _IQmpy(pp->v_Kd, dd_error);  //求输出，相当于u(k)=u(k)+Δu(k);     if(pp->vl_PreU < _IQ(9) && pp->vl_PreU > _IQ(-9))      {       pp->vl_PreU = 0;     }     else if(pp->vl_PreU > pp->VV_MAX )     {       pp->vl_PreU = pp->VV_MAX;     }     else if(pp->vl_PreU < pp->VV_MIN )     {       pp->vl_PreU = pp->VV_MIN;     }     return (pp->vl_PreU);  } 五、系统创新     通过STM320F28027来控制多路PWM进行太阳能最大功率跟踪、DC-DC变换、DC-AC变换。利用太阳能做出便携产品，不但能够让在野外电器电能得到补充，而且逆变能220V的交流电给家用电器供用以备不时之需。 六、测评与结论     1、太阳能最大功率点跟踪数据： 输入电阻30欧，负载电阻100欧。（由于PWM一直在改变，取得的值可能存在误差） 电源输出电压(V) 模拟太阳能输出电压(V) 模拟太阳能输出电流(A) 负载电压(V) 输出与负载功率比 14.5 11.525 0.09 9.44 82% 18.5 14.222 0.12 12.09 85% 21 16.319 0.13 13.58 83% 24.0 19.157 0.15 15.41 80% 27.5 23.504 0.14 15.34 65% 30.6 27.334 0.13 14.89 54% 由可知。登山法实现的效果不错。太阳能利用率在百分之80以上。并且当输出达到15.5时。输出电压保护会使电压保持不错。但利用率却一直在下降。 2．手机电池充电稳压。 PWM周期寄存器2000；负载电阻30欧。 电源输出电压(V) 比较寄存器值 占空比 负载电压(V) 6.3 1372 0.314 4.95 7.6 941 0.530 4.95 10.1 538 0.731 4.89 12.6 394 0.803 4.88 15.0 326 0.837 4.84 由数据可见。本电路完全可以让一块输出12V的蓄电池或太阳能给手机充电。