多功能太陽能充電寶設(shè)計(jì)

北京信息科技大學(xué)，北京 100192

一、前言

隨著時(shí)代的發(fā)展，手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品被人們廣泛應(yīng)用。人們對于電子產(chǎn)品的續(xù)航能力也有了更高的要求。目前，市場的便攜式充電產(chǎn)品，缺少安全規(guī)范，有很多不安全隱患，并且續(xù)航能力也有待提高。

針對這種情況，本文提出直流直充和太陽能充電并用的兩種方式的充電產(chǎn)品，可以有效的解決目前充電產(chǎn)品的安全性能和續(xù)航能力。

二、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。硬件設(shè)計(jì)主要分為兩部分：基于ZS6288充電寶電源管理模塊和基于LT3652太陽能充電模塊。同時(shí)設(shè)計(jì)有電池保護(hù)電路，可以實(shí)現(xiàn)對電池的保護(hù)，延長電池的使用壽命。

充電寶電源管理模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，可以實(shí)現(xiàn)通過常用直流電源接口的方式為電池充電、為電子產(chǎn)品充電、應(yīng)急手電筒的功能[1]。充電寶的放電功能在該模塊，設(shè)計(jì)了兩個(gè)放電接口，放電電流分別為1A和2A，以實(shí)現(xiàn)為不同的電子設(shè)備充電的需求；另外，還設(shè)計(jì)了LED手電功能，可以實(shí)現(xiàn)在戶外時(shí)的臨時(shí)照明功能[2]。該模塊設(shè)計(jì)的充電方式為常用直流電源接口供電方式，可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)時(shí)充電寶的電池續(xù)航。

太陽能充電模塊可以實(shí)現(xiàn)通過太陽能電池板為電池充電的功能，在光伏板降壓部分，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤算法，用來提高光伏板發(fā)電效率，以實(shí)現(xiàn)戶外時(shí)充電寶的電池續(xù)航。

1、充電寶電源管理模塊設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)方案是設(shè)計(jì)兩個(gè)放電接口，用來實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的兼容性，此次設(shè)計(jì)中電源管理芯片使用ZS6288，該芯片是一款集成了DC-DC升壓、輸出限流、電池充放電管理、電池電量顯示、LED手電筒功能、按鍵控制的電源管理芯片，外圍電路簡單，再配合相應(yīng)的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)對鋰電池的充放電管理，可以實(shí)現(xiàn)1A、2A兩個(gè)輸出電流的設(shè)計(jì)，效率比較高，價(jià)格比較合理，且調(diào)試簡單。

圖2是ZS6288電源管理電路原理圖。

在充電管理部分，接在芯片16腳SNS和15腳BAT之間的采樣電阻R的取值是關(guān)系到充電電流大小的關(guān)鍵因素，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三段式充電，及涓流充電、恒流充電、恒壓充電。

放電管理部分，芯片5腳VIN用來檢測電源的電壓，當(dāng)輸入電壓為3.3V以下時(shí)，認(rèn)為電源適配器掉電，升壓系統(tǒng)可以工作。在系統(tǒng)進(jìn)行升壓功能的時(shí)候，主要是經(jīng)過8腳CS來隨時(shí)檢測負(fù)載電流的大小，如果負(fù)載電流一直不斷上升，那么到達(dá)限流值的時(shí)候，輸出電壓就會下降，直到不再升壓，即負(fù)責(zé)升壓的MOS管關(guān)斷，同步整流 PMOS 打開。

保護(hù)功能部分，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路的情況或者輸入電壓超過6V時(shí)，14腳CTR輸出低電平，于是與之相連接的NMOS管關(guān)斷，從而關(guān)閉USB輸出。

電量顯示部分，通過管腳10～13連接的4個(gè)LED燈的亮滅來顯示電量。

手電筒功能，通過9腳連接的按鈕來控制手電筒的亮滅，當(dāng)長按按鈕時(shí)，6腳WLED輸出高電平從而驅(qū)動NMOS管導(dǎo)通從而使LED燈亮起。

USB輸出部分，USB1與USB2的2腳和3腳并聯(lián)的電阻是為了實(shí)現(xiàn)自動識別電子產(chǎn)品的充電電流，從而達(dá)到限流不會燒壞電子產(chǎn)品而設(shè)置的。

2、太陽能充電模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)LT3652 作為充電管理芯片。當(dāng)LT3652由太陽能電池板供電時(shí)，輸入調(diào)節(jié)環(huán)路用于維持在峰值輸出功率的附近，使光伏電池板保持在最大峰值功率輸出點(diǎn)，效率高[3]。圖3所示為系統(tǒng)太陽能充電電路[4]。

引腳1-Vin作為電源輸入，為芯片工作以及充電功能模塊提供電源，輸入范圍是4.95V～34V；

引腳2-Vin_REG為輸入電壓調(diào)節(jié)參考，這通常用于為太陽能電池板的峰值功率跟蹤，即能根據(jù)輸入電壓的大小自動調(diào)整充電電流；

引腳6-TIMER為充電時(shí)間周期設(shè)置腳，如果基于定時(shí)器的充電需要，可以從這個(gè)引腳對地連接一個(gè)電容，進(jìn)而進(jìn)行控制；

引腳7-VFB為充電電壓環(huán)路檢測腳，基準(zhǔn)電壓為3.3V；

引腳8-NTC電池溫度監(jiān)測端；

引腳9-BAT為充電輸出監(jiān)測腳；一旦充電循環(huán)被終止，BAT引腳的輸入偏置電流降至〈0.1μA，而充電器保持連接，以減少電池放電[6]；

引腳10-SENSE為充電電流檢測腳[7]，該腳和BAT腳之間固定電壓為0.1V；

引腳11-BOOST為升壓腳，為芯片內(nèi)部開關(guān)提供驅(qū)動；

引腳12-SW為開關(guān)輸出腳，切換輸出引腳；

引腳13-SGND，接地，需保證足夠的散熱。 焊接露出引線框架到PCB接地平面。

3、充電電池的選擇

鋰電池的工作電壓為3.7V，而鎳鎘、鎳氫電池的工作電壓只是鋰電池的三分之一[8]，而且相比于其他充電電池，鋰電池循環(huán)壽命較長，也沒有記憶功能，可以隨用隨充，而且鋰離子電池對環(huán)境污染很小，屬于環(huán)保電池。因此本設(shè)計(jì)的采用的是兩節(jié)18650鋰電池的并聯(lián)的方式。

4、電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

充電寶的電池若過度放電，會造成的電壓過低；過度充電又會造成電壓過高，都會對電池的壽命造成影響，因此需要設(shè)計(jì)電池保護(hù)電路才防止過充、過放。此設(shè)計(jì)利用DW01芯片對其進(jìn)行保護(hù)，該芯片擁有過度充電、過度放電以及短路、過流保護(hù)的功能。

電池保護(hù)電路原理圖如圖4所示。該模塊的保護(hù)電路主要由一個(gè)保護(hù)芯片DW01和兩個(gè)并聯(lián)的8205（N溝道增強(qiáng)MOSFET）。DW01主要是檢測MOS管的漏極和源極間的電壓[9]來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。電路需要較大的工作電流，想要增大過流保護(hù)的值得時(shí)候，就可以通過減小MOS管的內(nèi)阻來實(shí)現(xiàn)[10]。通過并聯(lián)的方式可以減小MOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻。

三、硬件電路實(shí)現(xiàn)

調(diào)試硬件電路，首先對電路通過多孔板和直插元器件進(jìn)行搭建，看電路是否可以達(dá)到應(yīng)有的功能。確認(rèn)電路無誤后進(jìn)行電路板的印刷，在焊接電路板之前應(yīng)該檢查相應(yīng)的印刷電路板得每條線是否都接對，用萬用表的二極管來檢測是否有誤接。在焊接ZS6288時(shí)，因?yàn)楣苣_小而密，所以焊接的時(shí)候要主要焊錫量的控制[11]，焊錫過多有可能導(dǎo)致管腳互相連接在一起，因此焊好后要用萬用表測試，保證管腳之間沒有連接。LT3652芯片背面有一個(gè)中央接地，因此在焊接的時(shí)候需要吹焊的方式進(jìn)行焊接，接好后也需要注意測量各個(gè)管腳的狀態(tài)。而且電路所使用的元器件大多為貼片的，因此在焊接過程中每焊好一個(gè)元器件都要測試一下[12]，看看元件是否焊接完好，有沒有虛焊、短接，確保每個(gè)元器件的焊接都沒問題，這樣才能保證電路最后順利調(diào)試[13]。而且檢查電路的時(shí)候也會更加方便，即使電路出現(xiàn)問題，出問題的點(diǎn)也比較好盤查。

四、實(shí)驗(yàn)

對本設(shè)計(jì)的兩部分模塊分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，充電寶電源管理部分進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。對于太陽能充電模塊進(jìn)行了充電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來檢驗(yàn)?zāi)K的功能是否實(shí)現(xiàn)。

將充電寶鋰電池電量放空（電池電壓為3.40V），太陽電池板放到室外，測試該模塊的電池充電能力，由于太陽能電池板的功率比較小以及受天氣的影響，根據(jù)不同天氣對太陽能充電模塊進(jìn)行測試，但由于近期霧霾天氣因素影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單一，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。對電源管理充放電部分也進(jìn)行了相關(guān)充電實(shí)驗(yàn)的記錄如表2所示。

表1 太陽能充電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

五、結(jié)論

本設(shè)計(jì)的手機(jī)充電寶有兩種充電方式，既可以通過常用的直流電源進(jìn)行充電也可以通過光伏能電池板對充電寶進(jìn)行充電。太陽能充電功能不僅節(jié)能環(huán)保而且可以幫助外出人士進(jìn)行應(yīng)急使用。并且充電寶的放電部分也設(shè)計(jì)了兩個(gè)接口，1A的接口可以為手機(jī)等小電流設(shè)備充電，2A的接口可以實(shí)現(xiàn)為平板電腦等大電流的電子設(shè)備進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)兼容性。并且還配有應(yīng)急手電筒，可以實(shí)現(xiàn)在戶外應(yīng)急時(shí)使用。通過電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)上述功能。但是實(shí)驗(yàn)過程中，受天氣因素影響，太陽能充電部分，效率較低，以后可以在光伏板參數(shù)選擇的方面加以改進(jìn)，以提高太陽能充電效率。