環保型電容儲能式電蚊拍的設計與實現

謝應然，楊元凱，何義植

（1.佛山職業技術學院 廣東 佛山 528137；2.佛山拓世電子科技有限公司 廣東 佛山 528137）

目前我國每年生產超過180億粒電池，而回收率不夠2%。這些廢舊電池隨意丟棄在生活垃圾中，既污染了環境，又浪費了寶貴的金屬資源[1]。而廢舊電池回收處理技術高、利潤低，再生利用率回收進程就目前并不樂觀。

近年來由于得到國家節能減排政策的大力扶持，超級電容行業也如雨后春筍般成長起來。超級電容器（EDLC）是一種電化學元件，它的功率密度遠高于鋰電池，且儲能過程是可逆的，因此EDLC反復充放電可以達到數十萬次；壽命達10年以上，且不會造成環境污染。超級電容的儲能具有超功率密度，EDLC有望在短期內部分或全部替代傳統的電源供應，成為一種主流的電源器件；EDLC可以廣泛的應用于消費類電子產品的電源，其應用從計算機、手機、數碼照相機/攝像機、無繩電話、家用電器到電動玩具、電子手表、電筒以及各類便攜設備等不一而足[2]。

電池在人們的生產和生活中不可或少，然而電池的廉價輕便等特點使成千上萬的廢舊電池被隨意的丟棄，對環境的污染日益嚴峻；針對消費電子產品電池污染問題，既要對廢舊電池回收進行循環利用，又要開發高效、低耗、低污染的新型環保電源產品，這是落實科學發展觀，構建資源節約型社會的重要舉措。

環保型電容儲能式電蚊拍改進原有電蚊拍的優點，更為重點是突破傳統做法，應用超級電容代替傳統（蓄電）電池作為儲能裝置，革新傳統的儲能形式。用電池作電蚊拍電源，每年需要更換2次以上；用充電電池作電蚊拍電源，充電電池一般1～3年后失效，電蚊拍由此可能廢棄。超級電容具有諸多特點：壽命超長可千萬次反復地充、放電；安全可靠，儲能巨大，充放電效率高（98%）；超級電容器是綠色能源（活性炭），不污染環境；相對成本低，超級電容器價格比鉛酸電池高一倍在大量生產后價格還會下降，但超級電容器的壽命比鉛酸電池高20～200倍，這點對替代現有很多電子產品電源而產業化非常重要[3]。電容儲能式電蚊拍源于超級電容這些卓越特點而設計。電蚊拍超級電容電源電路引用了電源芯片TPS61200，電源芯片TPS61200把超級電容變化的電壓（0.3～7 V）可轉換成3.3 V的穩定電壓輸出，作為電蚊拍電路組件電源。這樣，電蚊拍將不再存在電池，從而可以不考慮電池壽命對電蚊拍的影響，極大延長了電蚊拍的使用時間，實現高效率節能、綠色環保、壽命長。

1 電源芯片TPS61200

芯片TPS61200系列是一款超低輸入電壓升壓式DC/DC轉換器。該系列在Ta=-40～+85℃工作溫度范圍內，最低輸入電壓為0.3 V；單個芯片就能組成升壓式電源，效率較高[4]。

1.1 特點

TPS61200系列的主要特點：效率高；自動轉換成升壓模式或降壓模式；靜態電流小；輸入電壓在0.5 V時，在滿負載時也能啟動工作；輸入工作電壓范圍寬；輸入低電壓鎖存的電壓可設定；有輸出短路保護；有輸出電壓可設定及固定輸出的3種選擇（如表1所示）。

表1 TPS61200全系列芯片Tab.1 Corresponding output voltage TPS61200 all series chip

1.2 引腳排列與功能

TPS61200系列的引腳排列如圖1所示，各引腳功能如表2 所示[5]。

圖1 TPS61200的引腳排列Fig.1 TPS61200 pins are arranged

表2 TPS61200引腳功能Tab.2 TPS61200 pin function

1.3 主要技術參數

TPS61200系列主要極限參數：輸入電壓為0.3～7 V（包括VIN、L、VAUX、VOUT、PS、EN、FB、UVLO 端）。 建議工作條件：VIN=0.3～5 V。TPS61200系列主要電特性參數：可調輸出電壓為1.8～5.5 V；固定3.3 V輸出電壓允差±0.03 V；固定5.0 V輸出電壓允差 ±0.05 V；內部平均開關電流限制為1 350 mA；靜態電流典型值50μA；關閉狀態時耗電小于2μA；開關管開關頻率 1 250～1 650 kHz。

TPS61200的應用電路如圖2所示。

圖2 TPS61200典型應用電路Fig.2 TPS61200 typical application circuit

圖2 是一種輸出電壓可設定的電路。輸出電壓VOUT與外接電阻分壓器R1、R2有關，如下式所示：

式（1）中，VFB=500 mV，R1可設為 1 MΩ，則可求出 R2值。例如，要求VOUT=3.3 V，代入上式可求出R2=178.57 kΩ，可取標準電阻值180 kΩ。

2 超級電容

世界著名科技期刊美國《探索》雜志2007年1月號，將超級電容器列為2006年世界七大技術發現之一，認為EDLC是能量儲存領域的一項革命性發展，并將在某些領域取代傳統蓄電池[6]。超級電容可取代電池作為小型用電器電源，電動玩具、數字鐘、照相機等均可能采用超級電容器作為電源。因EDLC的循環壽命長，綜合考慮其作為電源比采用電池更合算。

下面就本例設計針對EDLC存貯電量進行分析：電蚊拍供電時間與EDLC存貯電量多少有直接關系，對EDLC存貯電量分析設計：兩電容采用串接，每個電容選用容量100 F，則電容容量為50 F。設計滿電壓5.0 V，50 F EDLC儲存電量為：50 F*5.0 V=250 C（庫侖），電壓下限是 0.3 V，電容放電的有效電壓差為5.0 V－0.3 V=4.7 V，所以有效電量為235 C。維持供電時間計算：235 C=235 A*S（安秒）=235 000 mAS（毫安秒）=65 mAh（毫安時），若電流消耗以120 mA提供給電蚊拍升壓電路，則供電時間為：65 mAh/120 mA=0.54 h=0.54*60 min=32 min（維持時間32分鐘）。

電蚊拍設置了快速充電功能，充電時間主要取決于充電電源性能，充電電流越大，充電時間就越短。根據上面計算分析可得出，充滿電后電蚊拍至少可持續工作半小時以上。

3 電路設計

3.1 設計思路

使用EDLC能存儲電能，工作電壓隨輸出電流會逐步變低，不能直接作為電源來使用，所以我們對EDLC輔以轉換電路及附加電路優化設計來實現穩壓，EDLC及轉換電路作為穩壓電源替代電池，電蚊拍電路由穩壓電源供電，保證其正常工作。本設計對充電端口進行了完善，更加人性化，不僅設有220 V交流充電端口，而且還設置了快速充電口，2～3分鐘充電時間就能充滿。本設計充電口采用micro USB插座，可方便用手機充電器、電腦USB口進行充電。

3.2 電路工作原理

電路原理圖如圖3所示。電路由充電部分、轉換電路、電蚊拍電路3部分組成。

充電部分由阻容降壓、整流、過壓保護電路及穩壓模塊組成。

阻容降壓電路[7]由 C1、R1、R0等組成，電容 C1的作用為降壓和限流，由電容的特性知，其容抗XC為：

式（2）中，XC：表示電容容抗 f：表示輸入交流電源頻率C：表示降壓電容的容量。

流過降壓電容的電流為：

式（3）中，I：流過電容的電流，U：表示電源電壓，R：表示等效負載電阻值。

圖3 超級電容儲能式電蚊拍電路Fig.3 EDLCelectric mosquito swatter circuit principle diagram

在220 V、50 Hz的交流電路中，當負載電壓遠遠小于降壓電容二端的電壓時，可由式（3）知，電流與電容的有下面近似關系：

式（4）中，電容的單位為μF，電流的單位為mA。

表3為在220 V/50 Hz的交流電路中，理論電流與實際測量電流的比較：

表3 理論電流與實際測量電流的比較Tab.3 The comparison of theory and actual measuring current

電阻R1為泄放電阻，C1選用2.2μF的電容，電容器與負載一定時，電路具有恒流特性；因負載電壓相對不大，充電電流可估算150 mA左右。R0是限流電阻，對浪涌電流有抑制作用。通過阻容降壓后，再將交流電壓整流成脈動的直流電壓，提供給由LM317構成的穩壓電路，穩壓電路用來限制超級電容的充電電壓。

過壓保護電路由 SCR1、R4、Z1、R2等構成。 當超級電容達到規定充電電壓值時，三端穩壓電路不再給超級電容充電，三端穩壓塊輸入腳電壓會急劇升高，LM317很容易被擊穿。但是當電壓升高到設定值（由Z1穩壓值確定）時，會觸發單向可控硅導通。同時，即在繼續市電充電狀態，也不會對電路由任何影響，起到過充保護作用（見圖4變化波形B）。三端穩壓塊輸入腳電壓會大大降低，LED指示燈點亮，指示超級電容已充滿。

穩壓模塊采用的是可調LM317穩壓電路，LM317的調整后的輸出電壓5.5 V，這樣可以在市電充電時超級電容不會過充電，保證超級電容充電電壓在5.0 V范圍內。

用USB口充電的時，手機充電器與電腦USB口電壓在5 V或以下，給超級電容充電電壓總是在5 V以下；超級電容充電電壓在規定范圍內，保證了其工作的安全性。

轉換電路主要由TPS61200及外部元件構成升壓電路組成。當超級電容器的電壓在0.3～5.0 V時，轉換電路能將電壓轉換成3.3 V的穩定電壓，提供給電蚊拍電路使用。TPS 61200輸出的穩定電壓還供給照明電路使用，照明電路由R5、R6、R7實現恒流供給照明LED燈，保證照明LED穩定的工作。

電蚊拍電路[8]由振蕩電路、倍壓整流電路構成。穩壓模塊提供3.3 V電壓，振蕩電路產生交流電壓，通過倍壓整流產生高壓直流電壓，提供給電蚊拍網使用，實現高壓滅蚊。

3.3 仿真分析

下面對充電電路進行仿真，為利于觀察，將超級電容改小容量，仿真測試三端穩壓塊輸入腳與超級電容電壓波形變化情況。

參考圖3，將示波器的輸入通道A連接到超級電容的正極，這時測得的波形是超級電容充電電壓的變化情況；將示波器的輸入通道B連接到三端穩壓塊LM317輸入腳，這時測得的波形是整流出來的脈動直流在充電過程中脈動電壓的變化情況。如圖4所示，脈動直流電壓是一個緩慢升高的梯形波，超級電容被充電，電壓緩慢上升。超級電容電壓充電達到滿值時，三端穩壓塊輸入腳電壓會急劇升高，升高到設定值時，會觸發單向可控硅導通。參見游標坐標位置變化波形，繼續市電充電狀態，超級電容充電電壓維持不變（A通道波形），綠燈亮指示市電充電已滿。在滿電狀態下，從波形可看出整流后的電壓不高，電源部分功耗很低，不會對電路有任何影響，起到過充保護作用。由上分析可知該電路設計滿足控制要求。

圖4 電壓波形變化情況Fig.4 LM317 input voltage and EDLCcharging voltage waveform changes

4 結 論

針對本文設計的電蚊拍經過試用測試，達到了預期的效果，快速充滿一次電的時間大概在2分鐘左右，而充一次電可以連續使用兩到三個小時。使用蓄電池儲能的電蚊拍一般只有2～3年時間壽命，而新產品使用壽命與EDLC等同，有10年以上。按此計算，利用新技術電蚊拍產品不僅環保，而且相對要省錢3倍以上。因此，新產品在市場具有較強的競爭力與巨大的社會效益。

[1]盛麗俊.廢舊電池回收存在的問題與對策探析[J].綠色科技，2012（4）:216-217.CHENG Li-jun.The problem and countermeasure on recovery and treatment of the waste battery[J].Journal of Green Science and Technology，2012（4）:216-217.

[2]張琦，王金全.超級電容器及應用探討[J].電氣技術，2007（8）:67-70.ZHANG Qi，WANG Jin-quan.Super capacitor and discussion of its application[J].Electric Technology，2007（8）:67-70.

[3]王洪禮，何志琴，李德菊.超級電容器與蓄電池性能的比較分析[J].現代機械，2013（3）:63-65.WANG Hong-li，HE Zhi-qin，LI De-ju.Comparative analysis of supercapacitors and battery performance[J].Modern Machinery，2013（3）:63-65.

[4]黃沛昱.基于TPS61200的太陽能電能收集充電器設計[J].重慶郵電大學學報，2013，25（4）:501-503.HUANG Pei-yu.Solar energy collection charger design based on TPS61200[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications，2013，25（4）:501-503.

[5]秩名.超低輸入電壓升壓式DC/DC轉換器TPS61200介紹[EB/OL]. （2012-12-29）http://www.elecfans.com/dianyuan/303487.html.

[6]于凌宇.新時代革命性電源超級電容器現狀與展望[EB/OL]. （2008-11）http://www.365powernet.com/library/technology_472.html.

[7]陳艷華，董曉勇.一種小家電產品應用的電源-阻容降壓電源.2006年中國家用電器技術大會論文集[C].北京：中國輕工業出版社，2006：464-268.

[8]孫德印.雅格YG-6838“電蚊拍”的電路原理與維修[N].電子報，2011-06-12.