2009年电子设计竞赛获奖作品——电能收集充电器

简介：
本作品为2009年电子设计竞赛中的获奖项目，旨在通过创新技术有效收集和转换环境中的微弱能量以实现对设备进行无线充电。 设计并制作了一种宽范围的电能收集充电器。该充电器可根据输入电压的不同选择升压、降压或直通输出三种工作模式，提高了直流变换电路的工作效率；监测与控制电路采用间歇运行方式以降低功耗，并进一步提升转换效率。经实际测试验证，在0.9V至20V的范围内均能正常运作，并可为模拟电池充电，其电路设计稳定可靠、成本低廉且满足了任务需求。 【电能收集充电器】是一种高效低能耗电源解决方案，特别适用于从环境热能、光能或机械振动等不稳定能源中获取微小电力并将其转换成可用的电量，以供小型电子设备使用。该项目在2009年的电子设计大赛上获奖，由袁强、谭伟和周伟组成的参赛团队完成。 ### 1. 系统方案设计与论证 #### 总体设计方案 项目设计师考虑了多种选项，包括线性稳压器、开关式电源管理策略以及混合型解决方案。最终选择了具有升压、降压及直通输出功能的电能收集充电器，因为它能够适应广泛的输入电压范围，并提高了系统的灵活性和工作效率。 ### 2. 理论分析与计算 #### 电路结构 该充电器由升压变换器、降压变换器以及监控电路组成。这些组件共同作用以满足不同工作条件下的需求。 #### 元器件选型 团队精心选择了耐高压且低损耗的开关元件及具有高效率和极低静态电流的控制器，从而进一步降低整体能耗并优化性能。 ### 3. 各单元电路设计与实现 #### 升压变换器 升压变换器用于将较低电压提升至所需较高水平。通过利用电感储能技术和对开关组件的有效控制，在输入电压偏低时仍能提供足够的输出功率。 #### 降压变换器 当输入电压高于所需的输出值时，降压变换器启动工作，并根据需求调整频率和占空比来维持稳定的电力供应。 #### 监控电路 监控电路负责实时监测并调控系统状态。它能够决定何时切换至最佳的工作模式，在间歇运行期间进一步降低能耗，从而提高整体效率。 ### 4. 系统软件设计及流程 #### 功能分析与实现 程序逻辑注重于自动选择最合适的操作方式以及优化性能算法的开发，确保在各种条件下都能保持稳定性和高效性。 #### 软件实施 编写了微控制器代码以精确控制开关元件。根据输入电压和负载需求动态调整PWM波形，从而保证系统的稳定性与效率。 ### 5. 整体测试及结果分析 经过一系列实验室试验表明，在不同环境下电能收集充电器均表现出色，并能够在0.9V至20V的范围内稳定工作并成功为模拟电池进行充电。其低成本和高可靠性满足了实际应用的需求，展现了创新性的电源管理和高效的能源转换策略，对微能源领域的发展具有积极意义。