江 漢,闞春榮,湯 明,楊 勇
(解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007)
隨著手機等移動電子設備的日益普遍以及功能增多,電池儲能的容量顯得十分有限。野外作業等遠離市電的人,會經常遇到手機電池耗盡尷尬情況。目前,市面上出現了一些太陽能充電移動電源設備,但都存在一些缺陷[1-2]:有的充電器不具備穩壓保護電路,輸出電壓會受光照強度的影響,輸出電壓不穩定;有的設備無板載鋰電池等儲能設備,只能在有光照條件下對外充電,使用不方便。
本文針對野外作業的需求,設計了一種高效的便攜式太陽能充電器,該設計包括光電轉換、穩壓升壓輸出、沖放電保護電路等模塊。設計的充電器既可將太陽能儲存在自帶鋰電池里也可直接對外充電,系統輸出電壓穩定,實現了無市電場合下的綠色能源轉化和利用,極大方便了野外作業應急電源的需求。
折疊式野外太陽能充電器的整體設計方案如圖1所示。系統主要組成包括:折疊式太陽能板、穩壓控制電路、鋰電池保護電路、升壓電路和大容量鋰電池。為了盡可能的增大充電的輸出功率,系統采用了折疊式的光電轉換板,滿足野外作業對便攜性、穩定性和可靠性的需求。

圖1 系統整體方案設計Fig.1 Architecture of system design
充電電路采用專用充電芯片TP4056及其外圍電路組成。TP4056是專門為鋰電聚合物電池而設計的線性充電芯片,利用芯片內部的功率晶體管對電池進行恒流和恒壓充電。理論和實踐證明[3],鋰電池的充放電,是一個復雜的化學過程,鋰電池一般是分三階段進行充電,典型的充電曲線如圖2所示。

圖2 鋰電池充電理論曲線Fig.2 Theory curve of Li-Lion battery charge process
當電池電壓小于涓流門限充電電壓(3 V)時,用較小電流(<100 mA)進行預充電;當電池電壓大于涓流門限充電電壓且小于浮充電壓(4.2 V)時,用較大電流行恒流快速充電;當電池電壓上升至浮充電壓,進行恒壓充電,在充電電流減小至終止電流ITERM,充電完成。
充電電流由TP4056芯片的PROG管腳和GND之間的電阻RPROG確定,最大持續充電電流可達1A。TP4056包含兩個漏極開路輸出的狀態指示輸出端,充電狀態指示端和電池故障狀態指示輸出端。當輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值和芯片使能輸入端接高電平時,TP4056開始對電池充電管腳輸出低電平,表示充電正在進行。當充電電流減小到充電結束閾值時,充電周期結束端輸出高阻態端輸出低電位。本文應用TP4056設計的鋰電池充電電路如圖3所示。

圖3 基于TP4056的充電電路設計Fig.3 Charge circuit based on ICTP4056
1)充電電流的設定
充電電流是采用一個連接在PROG引腳與地之間的電阻器來設定,由下列公式來計算:

RPROG與充電電流的關系也可參照簡表1。

表1 可調節電阻阻值與充電電流關系參考表Tab.1 Reference resister value and charge current
2)充電終止的判定方法
電池電壓在達到最終浮充電壓之后,當充電電流降至設定值的1/10時,充電循環被終止。該條件是通過采用一個內部濾波比較器對PROG引腳進行監控來檢測的。當PROG引腳電壓降至100 mV以下的時間超過tTERM(一般為1.8 ms)時,充電被終止。充電電流被鎖斷,TP4056進入待機模式,此時輸入電源電流降至55μA。
在待機模式中,TP4056對BAT引腳電壓進行連續監控。如果該引腳電壓降到4.05 V的再充電門限(VCHARG)以下,會激活一個充電循環開始并再次向電池供應電流。
本文采用鋰電池充放電專用保護芯片DW01+和場效應管(MOSFET)8205A來設計保護電路。DW01+是一個鋰電池保護電路專用芯片,具有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路,具有過放、過沖、短路檢測等功能。8205A是N溝道增強型功率場效應管,具有快速開關、超低導通電阻的特點,適用于設計電池保護或低壓開關的電路。本文設計的保護電路原理圖如圖4所示。

圖4 鋰電池保護電路工作原理Fig.4 Protect circuit of Li-Lion battery
限于篇幅,以下只就過充電保護和過放電保護過程做簡要的描述,其他過程可參考DW01+和8205A的數據手冊。
正常工作狀態:
該電路主要由DW01+和N溝道MOSFET管的8205A組成, 其中 8205A可以看成是兩個開關 (S1-D1,S2-D2)當DW01+的 Vcc管腳電壓在正常范圍內 (2.5V~4.3V)時,DW01+的第 1、3腳輸出高電平,即 8205A的第5腳、第 4腳對應的MOSFET管G極處于高電平,等效的2個開關都導通,電池正常放電。
過放保護狀態:
電池通過負載進行放電,電壓下降,DW01+監測電池電壓Vcc低于2.3V時DW01+的OD管腳輸出低電平,8205A的等效開關S2-D2斷開,放電停止。當DW01+經CSI檢測到P+、P-間的充電電壓后,OD管腳重新輸出高電平,8205A的等效開關S2-D2導通,電池恢復放電。
過充保護狀態:
電池充電時,電壓升高。電壓下降,DW01+監測電池電壓Vcc低于2.3V時DW01+的OC管腳輸出低電平,8205A的等效開關S1-D1斷開,充電停止。
鋰電池的放電電壓為3.7~4.2 V,而系統對外放電電壓為5 V,需要一個高效升壓電路實現轉換。系統采用SX1315系列的開關電壓轉換器件完成電壓升壓電路設計。

圖5 升壓原理圖Fig.5 Principle block diagram of boost
升壓轉換器升壓原理如下[4]:升壓工作過程可以分為兩個階段:充電過程和放電過程。充電過程:當Lx開關驅動晶體管導通時,輸入電壓VIN電源對電感充電,此時二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電,所以電感上的電流i1按照一定的比率線性增加,這個比率與電感量L大小有關,隨著電感電流增加,電感中儲存了大量能量。放電過程:當Lx開關驅動晶體管導通時截止時,由于電感的電流保持特性,流經電感的電流不會在瞬間變為0,而是緩慢的由充電完畢時的值變為0。而原來的通路已斷開,于是電感只能通過新電路放電,即電感開始以電流i2給電容CL充電,電容兩端電壓升高,此時電容電壓可達到高于輸入電壓的值VOUT。
利用萬用表的電流檔和電壓檔對本文設計的充電器進行了性能測試,在陽光充足的條件下對容量為1 000 mAh的鋰電池充電,實測太陽能電池組開路電壓5.6 V,最大輸出電流532 mA。充電數據每5分鐘測量一次,選出有效樣本點繪制的實測曲線如圖6、7所示。從實測圖可以看出充電過程基本經歷了涓流預充電、恒流充電、恒壓充電直至充電終止的過程,和圖2的理論充電曲線基本吻合。

圖6 沖電電流隨時間變化曲線Fig.6 Charge current curve vs.time
通過測量鋰電池電極兩端和USB放電口的電壓電流可計算升壓電路的效率,測量的數據如表2所示。從結果可以看出,升壓效率基本保持在85%以上,滿足了高效放電輸出的需求。
本文設計制作的可折疊野外太陽能充電器具備穩壓調節電路,并具備鋰電池保護電路,具有輸出電壓穩定,使用安全可靠等特點,可廣泛應用于野外作業應急充電場合。

圖7 沖電電壓隨時間變化曲線Fig.7 Charge voltage curve vs.time

表2 升壓效率測試數據表Tab.2 Efficiency test result of boost
[1]田錦明,邵長杰,劉鵬飛.簡易太陽能手機充電器的設計[J].科技廣場,2010(9):131-133.TIANJin-ming,SHAOChang-jie,LIU Peng-fei.Design charger of solar for mobile telephone battery[J].Science Mosaic,2010(9):131-133.
[2]陳潔.太陽能多功能充電器的設計研究 [J].電子技術應用,2008(8):75-77.CHEN Jie.Design of the multifunctional charger of solar energy[J].Power Supply Technology and Its Application,2008(8):75-77.
[3]劉陽,胡梵,張謙.基于LT3652的太陽能充電器設計方法[J].電子設計工程,2011(17):167-170.LIU Yang,HU Peng,ZHAG Qian, A solar charger design method based on LT3652[J].Electronic Design Engineering,2011(17):167-170.
[4]孫玉峰,辛業春.基于BQ24200的太陽能供電電源設計[J].電子工程設計,2011(2):182-184.SUN Yu-feng,XIN Ye-chun.Power supply design of energy based on BQ24200[J].Electronic Design Engineering,2011(2):182-184.
[5]朱憲忠,許斌,周一航,等.太陽能手機充電器的電路設計[J].電子世界,2012(21):134-135.ZHU Xian-zhong, XU Bin,ZHOU Yi-Hang,et al.Design of charge circuit based on solar energy[J].Electronic World,2012(21):134-135.
[6]韓文穎,趙明君,孫萬利,等.太陽能充電器的優化設計[J].電源技術,2014(1):85-87.HAN Wen-ying,ZHAOMing-jun,SUN Wan-li,et al.Optimum design of solar power charger[J].Chinese Journal of Power Sources,2014(1):85-87.