一種折疊式太陽能移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

葉莖　楊勇

摘 要： 針對現(xiàn)在市場上大部分太陽能移動(dòng)電源存在著太陽能板面積小，功率不夠充電等問題，提出一種效率高，安全可靠的太陽能移動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案。采用5 V，7 W的較大功率折疊太陽能電池板，分析太陽能與電能轉(zhuǎn)換過程的關(guān)鍵技術(shù)和方法，描述充電電路、升壓電路、鋰電池保護(hù)電路和關(guān)鍵芯片設(shè)計(jì)，例如能實(shí)現(xiàn)充電電流控制的專業(yè)鋰電池充電管理芯片，啟動(dòng)電壓可低于1 V的、小尺寸高效率升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片等。考慮了電源多方面的需求，包括太陽能的充電效率，鋰電池的壽命和安全，升壓的效率和輸出電源的質(zhì)量等，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電源信號的正常輸出，其是一個(gè)綠色安全的能源解決方案，具有實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 鋰電池； 太陽能； 移動(dòng)電源； 充電； 升壓； 保護(hù)電路

中圖分類號： TN710?34； TM910 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0166?03

Abstract： The most of the solar energy mobile power supplies available in the market have the problems of small solar panel and insufficient charging power. Therefore， a design scheme for the high?efficient， safe and reliable solar energy mobile power supply is presented. The high?power folding solar panel of 5 W and 7 W is adopted. The key technologies and methods of the conversion process from the solar energy to electric energy are analyzed. The design of the charging circuit， boost circuit， lithium battery protection circuit and key chips is described. The various demands of the power supply are considered， including the charging efficiency of the solar energy， lifetime and safety of the lithium battery， boost efficiency， and quality of the output power supply. The experimental results verify that the power supply has normal signal output， is a green and safe energy solution， and has practical value.

Keywords： lithium battery； solar energy； mobile power supply； charging； voltage boost； protection circuit

0 引 言

太陽能移動(dòng)電源可以利用陽光照射給移動(dòng)蓄電池充電[1]，既有節(jié)能環(huán)保的特性，又有壽命長的特點(diǎn)[2]，對野外工作或旅游者尤其合適。其要求移動(dòng)電源體積小，充電電流不能過大而影響設(shè)備的壽命[3]。現(xiàn)在市場上多數(shù)太陽能移動(dòng)電源，存在太陽能充電功率不夠，仍然用電源充電的問題，大功率高效的移動(dòng)電源往往設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。針對太陽能移動(dòng)電源的需求及問題，本文提出了一種安全可靠、較大功率的太陽能移動(dòng)電源設(shè)計(jì)。采用折疊式太陽能電池板，能給手機(jī)等便攜設(shè)備供電，具有實(shí)用價(jià)值。

1 太陽能電池板的選擇

太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，為鋰電池充電。目前市面上的太陽能電池板多晶硅材質(zhì)較多，用于移動(dòng)電源的太陽能電池板普遍存在面積小、功率低、太陽能充電性能差的問題。為了提升性能，需采用大光照面積和大功率的太陽能電池板，不方便攜帶，采用折疊的方式較好，可以選擇方便折疊的多晶硅柔性薄膜材質(zhì)。綜上所述，選擇市面上5 V，7 W的折疊太陽能板比較合適，可以給較大容量的移動(dòng)電源充電。

2 電路結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

太陽能移動(dòng)電源電路采用功能模塊式結(jié)構(gòu)，由充電電路、鋰電池保護(hù)電路[4]、升壓電路三部分構(gòu)成。移動(dòng)電源采用太陽能電源充電，USB電源進(jìn)行充電模式的控制，充電電路的輸出端，通過鋰電池保護(hù)電路，與升壓電路輸入端連接，在鋰電池保護(hù)電路模塊安裝移動(dòng)電源電池。太陽能移動(dòng)電源電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

3 電路及關(guān)鍵芯片設(shè)計(jì)

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)圖，對充電電路、鋰電池保護(hù)電路、升壓電路三個(gè)功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

3.1 充電電路

太陽能移動(dòng)電源是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能儲存在蓄電池，同時(shí)具有可移動(dòng)性質(zhì)的新型電源[5]。因此需要太陽能充電電路提供電能，充電電路要考慮效率和安全問題。

3.1.1 充電電路芯片功能設(shè)計(jì)

充電電路采用專業(yè)鋰電池芯片CN3052進(jìn)行管理，分為預(yù)充、涓流、恒流、恒壓充電階段。當(dāng)輸入的交流適配器或USB電源掉電了，CN3052自動(dòng)進(jìn)入低功耗睡眠模式，此時(shí)電流消耗會小于3 A。當(dāng)輸入電壓高于閥值，CN3052會解除睡眠模式，開始充電管理。CN3052的調(diào)制輸出電壓為4.2 V，如電池電壓低于閾值4.1 V，CN3052自動(dòng)開始充電。

為了延長電池壽命，充電電流需要嚴(yán)格控制。當(dāng)輸入電壓大于VIN管腳電源低電壓檢測閾值時(shí)，芯片使能輸入端CE管腳接高電平，開始對電池充電，有：endprint

3.1.2 充電電路設(shè)計(jì)

太陽能移動(dòng)電源充電電路如圖2所示，當(dāng)太陽能電源有電，紅色LED4燈亮，進(jìn)行充電。充電器向電池充電時(shí)，充電狀態(tài)指示端管腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平，表示充電正在進(jìn)行，三極管3904截止，綠燈LED3亮，紅燈LED2滅，表示正在充電。充電完成時(shí)，管腳處于高阻態(tài)，三極管3904導(dǎo)通，由于R34作用，綠燈LED3滅，紅燈LED2亮，表示充電完成。

3.2 鋰電池保護(hù)電路

CR6002D芯片是目前市場上使用簡單、高效、性價(jià)比較好的鋰電池保護(hù)芯片，當(dāng)出現(xiàn)過充、過流、過放時(shí)，芯片會自動(dòng)停止充電或放電，起到保護(hù)鋰電池的作用。該芯片集成度高，外圍電路結(jié)構(gòu)簡單。

當(dāng)芯片內(nèi)置場效應(yīng)管放電控制截止時(shí)，VM1，VM2端與地之間電壓值小于或等于1.5 V，會進(jìn)入休眠模式；當(dāng)充電連接，且VM1，VM2端與地之間的電壓值等于2.0 V以上，休眠結(jié)束。

3.3 升壓電路

經(jīng)過太陽能充電電路，輸出電壓一般為4.2 V，較低，在實(shí)際應(yīng)用中需要升壓電路來調(diào)節(jié)輸出電壓和輸出電流。

3.3.1 升壓電路芯片功能設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶所需要的最大輸入/輸出電流可采用不同的芯片進(jìn)行升壓。如PT1301芯片提供300 mA的最大輸出電流；CN5136芯片提供500 mA的最大輸出電流；CP6209芯片可以提供5 V，1.5 A輸出，以PT1301為例進(jìn)行說明。PT1301芯片是一款啟動(dòng)電壓可低于1 V，小尺寸又高效的升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，采用自適應(yīng)電流的脈沖寬度調(diào)制模式控制，輸出電壓由兩個(gè)外部電阻設(shè)定，高效率、微安級別的低靜態(tài)電流，可使電池使用更長時(shí)間。

電路輸出電壓由反饋輸入端FB管腳控制，該管腳電壓一般根據(jù)輸出電壓分壓得到，如圖4太陽能升壓電路所示。輸出電壓[Vout]可通過電阻[R40]和[R41]按公式計(jì)算：

3.3.2 升壓電路設(shè)計(jì)

升壓電路如圖4所示，可通過改變[R41]的值來調(diào)節(jié)輸出電流的大小，[R41]阻值越大則輸出電流越小。電路中電感和肖特基二極管的選擇，對轉(zhuǎn)換效率有較大影響；電感和輸出電容的選擇會影響輸出電壓的紋波。電壓紋波由電壓波動(dòng)造成，易產(chǎn)生諧波等干擾，會降低轉(zhuǎn)換效率，電路設(shè)計(jì)時(shí)要減小紋波。

實(shí)際電路元器件選擇如下：采用肖特基二極管（正向壓降約為0.2 V），20 μH（r<0.5 Ω）左右的電感，鉭電容，可以提高電路轉(zhuǎn)換效率，減小電源紋波。BM2302場效應(yīng)管作為負(fù)載開關(guān)使用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

太陽能移動(dòng)電源輸出波形如圖5所示，經(jīng)過升壓，電壓從0開始升至約5 V，因?yàn)樨?fù)載存在壓降，所以空載電壓略大于5 V，約為5.3 V。

經(jīng)測試，隨著太陽能電池板與光照角度的調(diào)整，若光照面積或強(qiáng)度變少，則輸入電壓減少，太陽能移動(dòng)電源工作效率降低。使用太陽能移動(dòng)電源充電，需要保證光照面積或強(qiáng)度，可以提高太陽能移動(dòng)電源工作效率。

5 結(jié) 語

這套由充電電路、鋰電池保護(hù)電路和升壓電路三部分組成的太陽能移動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)方案，采用較大功率的折疊式太陽能電池板，考慮了太陽能的充電效率，鋰電池的壽命和安全，升壓的效率和輸出電源的質(zhì)量問題，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單，成本較低的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)綠色安全的能源解決方案。

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