太陽能充電90 W移動電源

鄭永翀，秦會斌

(杭州電子科技大學(xué)新型材料與器件研究所，浙江杭州310018)

太陽能充電90 W移動電源

鄭永翀，秦會斌

(杭州電子科技大學(xué)新型材料與器件研究所，浙江杭州310018)

目前，市場流行的小功率移動電源已無法滿足，如筆記本等大功率數(shù)碼產(chǎn)品的供電需求，同時單一的充電方式使得移動電源的續(xù)航能力得不到保障。根據(jù)市場需求分析，提出一款可以使用適配器、太陽電池、車載電池充電的充電方式以及輸出功率多樣化，且性能安全可靠的移動電源。其主要包括太陽能充電、20 V輸出、12 V輸出、5 V輸出、電量顯示電路以及保護等電路模塊。

移動電源;太陽能充電;升壓;90 W

隨著經(jīng)濟發(fā)展和生活水平的提高，人們手中的數(shù)碼產(chǎn)品不斷增加，移動電源與人們的生活產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系，因此移動電源將會走向飛速發(fā)展的時代[1]。但是移動電源的發(fā)展過快也存在一些問題：(1)充電方式單一，目前市場上的移動電源基本上是用市電充電；(2)安全性能不夠完善，沒有國家標準規(guī)范；(3)通用性差，移動電源的輸出功率和便攜式電子產(chǎn)品的輸入功率不匹配[2]。目前市場上的移動電源輸出電壓為5 V，輸出電流為1 A到2 A，這只能滿足一些小功率電子產(chǎn)品，無法滿足筆記本等大功率數(shù)碼產(chǎn)品的使用。本文旨在提出一款充電方式以及輸出功率多樣化，且性能安全可靠的移動電源方案。

1 移動電源總體構(gòu)架

整個系統(tǒng)主要由充電模塊、電池模塊、輸出模塊三部分組成。充電模塊主要包括太陽電池板[3]和充電電路，既可以用太陽能充電，也可以用車載電源充電，還可以使用市電充電，解決了適應(yīng)于不同場合的充電問題；電芯選用聚合物鋰電池組合而成；輸出模塊主要包括給筆記本充電的升壓模塊(最大功率達90 W)，給手機充電的降壓模塊以及鋰電池組直接輸出模塊。電路中還實現(xiàn)了欠過壓保護、溫度保護、短路保護等整個系統(tǒng)的設(shè)計框圖,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

2 電路設(shè)計

2.1 太陽能充電模塊設(shè)計

太陽能充電電路通過一個經(jīng)典的Buck電路實現(xiàn)，由Q1、D2、L1、C5組成。開關(guān)導(dǎo)通時，輸入端電源經(jīng)過開關(guān)Q1把部分能量存入電感L1，其余的能量傳遞到了輸出端為負載提供能量。由于此時電感中有電流流過，故兩端會有一個電壓，從而達到了降壓的目的。開關(guān)Q1關(guān)斷時，輸入端電源將不再給電路提供能量，此時電路中的能量由電感提供，二極管D1正向?qū)?，將能量傳遞給輸出端。此處電容C5為負載提供了一個穩(wěn)定的電壓,如圖2所示。

控制電路由電池管理芯片CN3705實現(xiàn)。CN3705是一款PWM降壓模式的充電管理芯片，輸入電壓范圍7.5～28 V，充電電流最高可達5 A，PWM開關(guān)頻率為300 kHz，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點[4]。它具有涓流、恒流和恒壓充電模式。在恒壓充電模式，恒壓充電電壓通過2個電阻對充電電壓進行分壓，設(shè)定其分壓比值達到理想的電壓值。電池端對應(yīng)的電壓關(guān)系式為：

圖2 充電原理圖

在恒流充電模式中，充電電流通過在回路中接一個較小的電阻，通過計算電阻值來設(shè)定：

在涓流充電模式中，用恒流充電15%的電流進行充電，其開啟條件為電池電壓低于設(shè)定恒壓值的66.7%。當(dāng)充電結(jié)束以后，如果沒有拔掉充電器，由于電池自放電等其他因數(shù)，電池兩端的電壓將會緩慢下降，影響電池的用量。故此時將對電池電壓繼續(xù)采樣，當(dāng)其降低到所設(shè)置恒壓充電值的91.1%時，即當(dāng)電池電壓降到11.48 V時，將開始新的充電周期，這樣可以保證電池的飽滿度在80%以上。該電路不僅可以用太陽電池板充電，還可以用適配器或者車載電池充電，輸入電壓范圍為15～24 V。

2.2 升壓模塊設(shè)計

選用UC3843作為DC-DC升壓的主控制芯片。UC3843是一款高性能的固定頻率電流模式控制器，專為DC-DC直流變換器應(yīng)用而設(shè)計，低壓鎖定門限為8.5 V(通)和7.6 V(斷)。UC3843屬于單端“圖騰柱”輸出，最大輸出電流可高達1 A，能直接驅(qū)動MOSFET，能進行精確的占空比控制。芯片還具有輸入和參考欠壓鎖定、自動前饋補償、逐周電流限制、低工作電流等特點。UC3843最大工作頻率為500 kHz，最大占空比可高達96%。由于其具有性能好、成本低、外圍電路設(shè)計簡單等優(yōu)點，受到廣大設(shè)計者的青睞，其特別適用于輸出功率在100 W以下的小功率開關(guān)電源[5]。

圖3為升壓原理圖。其中鋰電池組、L3、D5、Q4、C16構(gòu)成一個經(jīng)典的Boost升壓電路，開關(guān)管Q4導(dǎo)通時，輸入端鋰電池組為電感L3提供能量，此時輸入端與輸出端斷開，負載端的能量由電容C16提供。開關(guān)管Q4斷開時，電感L3儲存的能量與輸入端電源共同為負載提供能量[6]。此時電感兩端有一個壓差，其極性與電源電壓一致，故能達到升壓的目的。電容兩端的電壓不能突變，此處電容為負載提供了一個穩(wěn)定的電壓[7]。芯片UC3843通過輸出端分壓反饋回來的信號調(diào)節(jié)開關(guān)管Q4的占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。其開關(guān)頻率由R22和C25設(shè)定，計算公式為：

圖3 升壓原理圖

芯片3腳接電流反饋信號，T1為電流互感器，當(dāng)電路中電流過大時，芯片自動關(guān)閉達到過流保護的目的。升壓電路作為本設(shè)計的主要部分，主要為筆記本供電，輸出電壓20 V，最大電流達4.5 A。

2.3 降壓模塊設(shè)計

降壓設(shè)計芯片選用LM2576T-5.0，具有十分優(yōu)良的電壓調(diào)整率以及負載調(diào)整率。其輸出電壓容差為±4%，內(nèi)置兩級過流保護以及過熱保護電路。芯片外圍電路設(shè)計主要包括濾波電容、儲能電感、二極管等，如圖4所示。

圖4 降壓原理圖

以固定的52 kHz頻率對NPN開關(guān)管進行開啟和關(guān)斷操作。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電源對電感充電，電感儲存能量，電流以線性方式上升。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電源與電感回路斷開，電感形成反向的感應(yīng)電壓，二極管正向?qū)?，電感將釋放能量為負載供電。當(dāng)輸出電壓改變時，反饋電壓也發(fā)生改變，通過與芯片內(nèi)部的基準電壓進行比較，將誤差信號放大后，再與振蕩器進行比較。通過改變PWM的占空比，調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)，從而得到一個穩(wěn)定連續(xù)的輸出電壓，主要為小功率數(shù)碼產(chǎn)品供電，輸出5 V，最大電流2.1 A。

2.4 保護與顯示電路設(shè)計

為了更有效地對移動電源進行控制，從而使其在安全性能，用戶體驗等方面得到提高，故在其充放電過程中都用單片機進行控制。在這一過程中，單片機主要起到電路保護和電量顯示的作用。在發(fā)熱元件附近放入NTC，實時監(jiān)控整個電路的溫度，當(dāng)其達到設(shè)計的最高溫度時斷開電路；對電池組電壓進行分壓采樣，當(dāng)電壓小于或大于設(shè)定值時，斷開電源。其采樣電路如圖5所示。

圖5 采樣原理圖

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括電量顯示和電量保護。電路保護主要有欠壓保護和過壓保護。首先通過PIC16單片機采集電池兩端的電壓信號來確定電壓是否正常。若電壓低于8.5 V或者高于12.8 V，單片機6腳輸出高電平，MOS管導(dǎo)通，繼電器吸合，斷開主電路。

電量顯示通過單片機控制一組LED實現(xiàn)。4個LED全亮，表示此時電池電量大于75%；點亮3個LED，表示此時電池電量在50%～75%之間；點亮2個LED，表示此時電池電量在25%～50%之間；點亮1個LED，表示此時電池電量在0%～25%之間，用戶應(yīng)及時對電池進行充電。其過程主要通過軟件實現(xiàn)，流程圖如圖6。

圖6 軟件流程圖

4 總結(jié)

將移動電源的多種充電方式和多種放電方式集成于一體，提高了產(chǎn)品的通用性。經(jīng)過硬件實現(xiàn)測出充電效率約90%。較大的功率輸出和較高的轉(zhuǎn)換效率可以使其滿足消費者從手機、MP3、相機等到PAD、筆記本電腦、LED照明等用電器移動用電需求，20 V/4.5 A的轉(zhuǎn)換效率約90%。完善了移動電源所需要的各種保護功能，使該產(chǎn)品性能更加安全穩(wěn)定。該移動電源尤其適用于戶外或野外工作者，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢和市場前景。

[1]丁成功,王升鴻.便攜式移動電源的研究與設(shè)計[J].伺服控制,2013(4):67-69.

[2]孫建昆.移動電源的新發(fā)展[J].互聯(lián)網(wǎng)周刊,2011(7):66-67.

[3]陸維德.太陽能利用技術(shù)發(fā)展趨勢評述[J].世界科技研究與發(fā)展,2007(1):95-99.

[4]張京,張根燦.基于CN3705和LM2596的鋰電池充放電系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2013(17):167-168.

[5]朱曉曲.基于UC3842的多端反激式開關(guān)電源的設(shè)計與實現(xiàn)[D].湖南:湖南大學(xué)，2013:66.

[6]LI Y M,LAI X Q,CHEN F J,et al.An adaptive slope compensation circuit for Buck DC-DC converter[C]//Proceedings of ASICON'07.Guilin:ASICON'07,2007.

[7]李正鵬,何希才.新型開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2001:65-79.

Solar charging of 90 W mobile power supply

ZHENG Yong-chong,QIN Hui-bin
(Institute of New Materials and Devices,Hangzhou Electronic Science and Technology University,Hangzhou Zhejiang 310018,China)

Nowadays, the existing low power mobile power can't be able to meet the need when used in the high-power power supply such as notebook.Meanwhile the single charging way can't guarantee cruising power of mobile power supply.According to the market demand analysis,a diversified charging ways of mobile power supply was proposed,which could use adapter,solar battery and car battery charging mode with reliable performance and safety.The system mainly consisted of five circuit modules,namely solar charging,three different output channels with 20,12,5 V,the remaining capacity display circuit and system protection circuit.

mobile power supply;solar battery charging;Booster;90 W

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1028-03

2016-12-15

鄭永翀（1990—），男，浙江省人，碩士研究生，主要研究方向為開關(guān)電源。