水浪發電裝置淺析

蒙奕多

（柳州市交通學校，廣西 柳州 545007）

世界各國目前主要以研究相對較高功率的海洋波浪能為主，而淡水表面小功率波浪能應用研究成果較少，其中，淡水發電與海洋發電的區別在于淡水發電具有低電壓、功率小、可移動、可存儲等特點。

1 水浪發電裝置

水浪發電裝置的外部結構設計采用全PC/ABS材質，由三部分組成，分別是液晶屏、PC/ABS外殼和安全隔離片組成，內部結構分為四個部分，即調壓系統、儲電系統、檢測系統和輸出系統，擬定收集的淡水發電參數為8～12V直流波動電壓和1A波動電流。

（1）調壓系統：通過以LM2577芯片為主的集成電路，對收集的8～12V波動直流電壓進行自動調壓至12V，供儲電系統。

（2）儲電系統：選用TP5100芯片和鋰電池18650組成集成電路，12V的電壓輸入TP5100，其充電保護作用的同時，轉化成7.2～8.4V安全波動電壓給鋰電池充電；18650型號的鋰電池自帶充、放電保護系統。

（3）檢測系統：選用STC 12c5a60s2芯片和LCD 1602液晶顯示組成集成電路，STC 12c5a60s2通過內置反饋控制電壓和電流的檢測，進而實現LCD 1602液晶數據顯示，從而達到充電過程中相關參數的顯示。

（4）輸出系統：選用LM2596S芯片對進行輸出降壓，使其達到5V穩定電壓，滿足負載充電要求后，再通過USB接口輸出給負載。

2 外部結構

按照國家標準，一般的儲電裝置要求外殼應具有防火能力，且達到規定的阻燃等級。水浪發電裝置的外部結構應采用全PC/ABS設計，PC即聚碳酸脂，ABS即丙烯腈（A）、丁二烯（B）和苯乙烯（S）的共聚物，其具有較高的硬度、抗沖擊性、耐熱性等特點，安全隔離片用鋁合金材質，增強了外部結構的安全性。

3 內部結構

（1）調壓系統和輸出系統。調壓系統和輸出系統應用原理相似，都是通過芯片組合及其相應的外圍電路實現升降壓，達到安全穩定的輸出效果。水浪發電裝置適合采用LM2577作為調壓系統的主要芯片，實現將8～12V的輸入電壓升至12V；LM2596作為輸出系統的主要芯片，實現將7.2～8.4V的電壓穩定為5V輸出給負載。

LM2577是一款可自動升降壓的開關電壓調整器，可調節輸出電壓。其電壓輸入范圍是3.5～40V，額定電流為1A，最大可輸出電壓為60V，根據其封裝特性采用LM2577s型號，即TO-263封裝，該芯片有軟啟動功能，可防止啟動電流過大、過熱保護、過流保護、低壓失步保護等。

LM2596是一個降壓開關型集成穩壓芯片，可提供3.3V、5V、12V及可調（-ADJ）等多個電壓檔次，輸出電流最大為3A，由于它內含固定頻率振蕩器和基準穩壓器，決定了它的功能較一般降壓芯片而言更強大。采用LM2596作為輸出系統的主要芯片，輔以少數的外圍器件，構成了高效的穩壓電路，LM2596將TP5100輸出7.2～8.4V電壓作為輸入電壓，輸出穩定5V、I≤3A電能參數供給負載，其特性如下：①特定條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%內，振蕩頻率誤差在±15%內；②保護功能強大，即一個兩級降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路；③可調輸出電壓范圍1.2V～37V±4%，且輸出線性好、負載可調節；④封裝形式：TO-220（T）和TO-263（S）。

（2）LM2596和LM2577。同樣是開關型集成穩壓芯片，LM2596也可以輸出3.3V、5V、12V穩壓，其優點與LM2577相似，都具有安全性高、可拓展外圍高效電路的特點，但兩者差別在于功能不同，LM2577是一個升壓型集成芯片，即將波動電壓升到固定值，輸出給負載；而LM2596是降壓型穩壓芯片，即將波動電壓降到固定值，爾后輸出給負載。水浪發電裝置的調壓系統要求輸入電壓是8～12V，輸出要求是12V，用LM2577芯片即可達到要求，LM2596可作為負載的降壓輸出系統，輸出5V穩定電壓，以滿足輸出系統要求。

（3）儲電系統。水浪發電裝置的儲電系統由TP5100和鋰電池組成。TP5100將12V電壓調成7.2～8.4V供鋰電池安全充電。一般鋰電池都需要設計充放電保護電路，否則，很容易造成短路、電池過熱、芯片損壞、電路癱瘓等安全隱患。

TP5100是一款開關降壓型充電管理芯片，其輸入電壓為5～18V，最大充電電流可達2A，能供雙節4.2V鋰電池安全充電，QFN16超小型封裝與簡單的外圍電路非常適用于便攜式設備的大電流充電管理應用，滿足輸出為3A的負載電路輸出要求。TP5100內置具有輸入過流、電池反接保護、欠壓保護、短路保護、電池溫度監控、芯片過溫保護等功能。TP5100其充電工作原理包括涓流預充、恒流、恒壓三個階段，頻率400kHz的開關工作模式，使它可以在大電流的充電過程中仍保持較小的發熱量，通過較小的外圍器件就可以實現。由于自身內置有防倒灌電路、功率PMOSFET，因此，無須防倒灌肖特基二極管等外圍保護就可以達到安全要求。儲電系統適合采用TP5100作為鋰電池的充電保護電路，12V的電壓供給TP5100工作，輸出7.2～8.4V電壓，供鋰電池安全充電，其他特性如下：

①可編程充電電流：0.1～2A；②可編程預充電電流：10%～100%；③寬工作電壓，最大達到18V；④紅綠LED充電狀態指示；⑤過流保護、欠壓保護、芯片溫度保護；⑥電池溫度保護、短路保護、電池反接停機；⑦PWR_ON-電源、電池供電切換控制；⑧小于1%的充電電壓控制精度；⑨靜態輸入電源電壓（VIN）：20V。

鋰電池即指一種標準性的鋰離子電池型號，常見的18650電池分為鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池，18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，“0”表示為圓柱形電池。采用鋰電池18650作為儲電系統，其保護電路可通過8205A實現。8205A屬于共漏極N溝道增強型功率場效應管，具有快速開關、超低導通電阻和高性價比的特點，主要應用于電源管理、負載開關、鋰電池充電保護等。

（4）檢測系統。檢測系統是都是通過信號反饋給單片機，檢測數據顯示在液晶屏上。由STC 12C5A60S2和LCD 1602組成的檢測系統，通過STC 12C5A60S2采集電壓數據和檢測，進而將電壓參數顯示在LCD 1602液晶屏上，信號輸入A/D轉換模塊，經A/D轉換后，由單片機讀取轉換后的數據進行采集、數據分解、正負對比（防止負數）、計算功率和數字顯示，結合運放電路進行計算電流，從而顯示在LCD液晶屏上，實現顯示電壓、電流、功率、計數。

STC 12C5A60S2單片機具有雙串口、高速、低功耗、抗干擾性強的特點，較于51系列單片機，STC單片機的IO口還可以定義成四種狀態，同樣晶振的情況下，速度是普通51單片機的8—12倍，且內置自帶8路高速10位A/D轉換(250K/S)和MAX810，多了兩個定時器、2路PWM功能、SPI接口、EEPROM、1K內部擴展RAM、WATCH_DOG等優勢，無需附加設計A/D轉換電路。

4 結語

我國作為豐富的淡水國家，水浪能量充足，對其進行開發既可響應可持續發展戰略，又可通過國內優勢開創中小型功率電能的應用。水浪發電裝置針對國內淡水能量的特點，運用國內單片機的集成電路，對波動電能進行參數調試，使其適用于中小型電子產品充電，具有低損耗、用途廣、成本低的特點，值得持續研究發展。