一種便攜式多功能小型充電裝置的電路設(shè)計(jì)

趙艷新

（晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電子工程系，山西晉城048026）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是通信技術(shù)的不斷突破，移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪惺种匾囊徊糠郑坏┰诰o急情況或者特殊環(huán)境下移動(dòng)設(shè)備電量用盡，將是一件非常麻煩的事情。在當(dāng)下，光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用廣泛[1]，從太陽能路燈到光伏建筑，再到大型光伏發(fā)電廠，它已經(jīng)成為新能源領(lǐng)域的重要支柱[2]。若能把太陽能發(fā)電技術(shù)和人們的日常生活結(jié)合起來，將會(huì)為人們提供極大的便利。但是在日常生活中，光伏能源的利用還較欠缺，究其原因有兩點(diǎn)：一方面是柔性太陽能電池[3]技術(shù)不夠成熟，耐候性、穩(wěn)定性較差，尚未得到廣泛的商業(yè)化應(yīng)用；另一方面是為日常生活中常見的直流小型負(fù)載供電而設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電裝置[4]較少。基于以上考慮，本文嘗試設(shè)計(jì)一種基于太陽能電池的便攜式多功能小型太陽能充電裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的全天候供電。

該裝置電路設(shè)計(jì)部分包含太陽能充電電路、市電充電電路、蓄電池充電管理電路、蓄電池保護(hù)電路、升壓輸出電路和顯示電路等，設(shè)計(jì)框架如圖1所示。該小型便攜式多功能充電裝置設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目的：1）太陽能電池直接給內(nèi)置蓄電池充電；2）市電直接給內(nèi)置蓄電池充電；3）內(nèi)置蓄電池控制電路要實(shí)現(xiàn)合理充放電、保護(hù)控制、電量顯示等功能；4）該裝置能及時(shí)對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行機(jī)充模式充電。

圖1 多功能充電裝置設(shè)計(jì)框架圖

1 太陽能充電電路設(shè)計(jì)

太陽能電池的發(fā)電原理是光生伏打效應(yīng)：當(dāng)光子照射到熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)上時(shí)，激發(fā)PN結(jié)區(qū)內(nèi)的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下再使電子和空穴分離，從而在P型和N型半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電壓，加上外電路負(fù)載后就能形成閉合供電回路。首先，在太陽能電池內(nèi)部PN結(jié)吸收光子能量形成光生電流（Iph），光照越強(qiáng)則Iph越大，另外結(jié)區(qū)里還存在與光生電流方向相反的暗電流（Idark），其中暗電流主要包含PN結(jié)反向飽和電流和漏電流，二者之差為輸出電流。其次，開路電壓決定于電子給體材料的HOMO（最高分子占有軌道）能級(jí)和電子受體材料的LUMO（最低分子未占軌道）能級(jí)之差。最后，太陽能電池的內(nèi)部電阻含串聯(lián)電阻（Rs）和并聯(lián)電阻（Rsh），串聯(lián)電阻取決于內(nèi)部材料、界面本身的阻抗，并聯(lián)電阻代表薄膜、金屬電極表面的漏電流引起的損耗，電路如圖2所示。

圖2 光伏電池等效電路圖

1）太陽能電池的選擇。在眾多的太陽能電池類型中，柔性非晶硅太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用較廣，具有較好的柔韌性和可塑性，同時(shí)其良好的弱光效應(yīng)能在較差的天氣情況下持續(xù)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，較適合戶外使用。另外，還要達(dá)到便于攜帶、體積小、質(zhì)量輕的要求。建議選用高效的柔性疊層非晶硅太陽能電池。

2）充電電路設(shè)計(jì)。太陽能電池輸出特性受光照影響波動(dòng)較大，不能直接對(duì)蓄電池供電，需要通過濾波和穩(wěn)壓電路處理之后才能對(duì)蓄電池充電。濾波電路采用電容并聯(lián)濾波的方式，穩(wěn)壓部分選用7805三端穩(wěn)壓電路。7805三端集成穩(wěn)壓模塊輸入電壓范圍為7～36 V，能滿足太陽能電池的輸出電壓要求；7805輸出穩(wěn)定的5 V電壓。在穩(wěn)壓電路的應(yīng)用過程中輸入和輸出電壓差為3～4 V左右時(shí)，集成穩(wěn)壓模塊能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)且溫度不會(huì)過高，所以在實(shí)際電路中，在集成穩(wěn)壓模塊之前串聯(lián)二極管起到降壓的作用，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 太陽能充電電路圖

2 市電充電電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的多功能充電裝置可以進(jìn)行市電充電。將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為5 V的穩(wěn)定直流電，需要經(jīng)過變壓電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路的處理，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 市電充電電路設(shè)計(jì)

3 控制電路部分

電芯是便攜式充電裝置的核心，為了便于攜帶和更安全，建議選用聚合物鋰電池做為多功能移動(dòng)電源的內(nèi)置電池，它的標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.7 V，充電上限電壓為4.3 V。對(duì)蓄電池的控制電路設(shè)計(jì)主要包含充電管理電路、升壓輸出電路和顯示電路等。

3.1 蓄電池充電管理電路設(shè)計(jì)

圖5 充電管理電路設(shè)計(jì)

蓄電池充電管理電路設(shè)計(jì)要求達(dá)到輕便耐用、分段充電、自動(dòng)續(xù)充、自動(dòng)關(guān)斷、過熱保護(hù)等實(shí)際應(yīng)用要求。在此選擇以TP4056芯片為核心進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，電路如圖5所示。TP4056是一款自帶散熱功能的線性充電芯片，可對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流和恒壓充電，其中充電電流可以根據(jù)外部電阻進(jìn)行設(shè)定，最大電流可達(dá)1000 mA。TEMP管腳為電池溫度檢測(cè)輸入端口，其關(guān)聯(lián)電阻R2和R3的阻值根據(jù)電池溫度保護(hù)范圍和熱敏電阻NTC的阻值來確定；PROG管腳為充電電流設(shè)置和監(jiān)測(cè)端口，電路圖中的R5根據(jù)公式計(jì)算，當(dāng)恒流充電電流IBAT=1000 mA時(shí)，阻值設(shè)定為1.2 kΩ；GND管腳為接地端，VCC管腳為內(nèi)部電路的電源輸入端；BAT管腳5是對(duì)蓄電池正極的充電端；STDBY管腳為蓄電池充電完成指示端，當(dāng)電池充滿時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED2亮起；CHRG管腳為漏極開路輸出的充電狀態(tài)指示端，當(dāng)正常充電時(shí)LED1亮起，充滿后熄滅；CE管腳為芯片使能輸入端。

此處蓄電池充電管理模塊采用直流5 V電壓供電。當(dāng)輸入電壓大于電源電壓檢測(cè)閾值時(shí)，TP4056使能端處于高電平，開始對(duì)蓄電池充電，CHRG為低電壓狀態(tài)，此時(shí)若電池電壓小于3 V，則需要小電流進(jìn)行預(yù)充，預(yù)充充電電流為0.1IBAT；當(dāng)電池電壓超過3 V，開啟恒流充電模式，電流為IBAT=1000 mA；當(dāng)蓄電池電源電壓升高到4.2 V時(shí)，進(jìn)入恒壓充電模式，降低充電電流，直至電流低于0.1IBAT，充電完成，此時(shí)CHRG為高電壓狀態(tài)，STDBY為低電壓狀態(tài)。在蓄電池使用過程中，TP4056中的BAT引腳始終處于持續(xù)監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)蓄電池電壓低于4.05 V時(shí)，可自動(dòng)啟動(dòng)充電模式。

3.2 蓄電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

蓄電池在使用過程中，為了延長(zhǎng)使用壽命和工作效率，必須設(shè)計(jì)蓄電池保護(hù)電路。蓄電池保護(hù)電路要求能起到過充保護(hù)、過放保護(hù)和過流保護(hù)等功能。在此設(shè)計(jì)中采用DW01蓄電池保護(hù)IC、MOS電子管8025A、電阻和電容等器件組成蓄電池保護(hù)電路，電路如圖6所示。在DW01 芯片中，VCC和GND分別是芯片電源端口和接地端；CS對(duì)應(yīng)充電裝置負(fù)極輸入端；DO和CO引腳分別對(duì)應(yīng)過放電檢測(cè)電路和過充電檢測(cè)電路的輸出端。

圖6 蓄電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在正常充電情況下，電池電壓在2.5～4.3 V的區(qū)間內(nèi)，芯片DW01管腳1和3均為高電平，8205A的柵極管腳均處于高電平狀態(tài)，故mos管導(dǎo)通，充放電回路接通。當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部電壓逐漸升高，當(dāng)電池電壓達(dá)到DW01過充閾值時(shí)，保護(hù)IC判斷電池處于過充狀態(tài)，此時(shí)管腳CO高電平消失，Q2柵極無電壓將關(guān)閉導(dǎo)通狀態(tài)，充電回路被切斷。當(dāng)蓄電池處于放電狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部電壓會(huì)隨著負(fù)載消耗而逐漸降低，當(dāng)電池電壓低至約2.3 V時(shí)，保護(hù)IC判斷電池處于過度放電狀態(tài)，DW01芯片管腳DO高電平消失，此時(shí)Q1柵極無高電壓支持而關(guān)閉漏極和源極的導(dǎo)通狀態(tài)，放電回路關(guān)斷。該電路設(shè)計(jì)也可以在蓄電池對(duì)負(fù)載供電過程中出現(xiàn)過流甚至短路時(shí)，及時(shí)切斷放電回路。當(dāng)出現(xiàn)過流情況時(shí)，8205A型mos管導(dǎo)通內(nèi)阻產(chǎn)生的管壓降會(huì)增加，當(dāng)管壓降上升到0.2 V左右時(shí)，DW01芯片判定出現(xiàn)過流情況，從而及時(shí)把DO管腳輸出電壓降低，從而mos管關(guān)斷，及時(shí)保護(hù)電池。

3.3 蓄電池升壓輸出電路設(shè)計(jì)

蓄電池額定輸出電壓為3.7 V，放電過程中輸出電壓緩慢降低，為了滿足負(fù)載設(shè)備5 V的工作電壓要求，需要采用DC-DC升壓電路進(jìn)行處理。在此設(shè)計(jì)中采用封裝空間小、內(nèi)部固定脈沖寬度調(diào)節(jié)的FP6291芯片（升壓輸入電壓為3.0～4.3 V）作為升壓電路的核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路如圖7所示。LX管腳為轉(zhuǎn)換電壓輸出端，GND管腳為接地端，F(xiàn)B管腳為誤差放大器反向輸入端，EN管腳開關(guān)控制使能端，VCC管腳為芯片電源輸入端，OC管腳為過電流限制設(shè)定端。其中升壓輸出電壓Vout值由R4和R5的阻值決定；最高限流IO設(shè)定由阻值R2配置；FP6291的功率最大限定為5 W，功率因數(shù)在70%～80%區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)化效率約為85%；L1電感值設(shè)定為3.3 μH；整流二極管選擇SM340肖特基二極管，它具有快速恢復(fù)、正向壓降低等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 升壓輸出電路設(shè)計(jì)

FP6291具有溫度保護(hù)、切壓保護(hù)、關(guān)斷保護(hù)、限流保護(hù)（調(diào)整范圍0.5～2.5 A）等。蓄電池正常輸出情況下，EN輸出為高電平狀態(tài)，此時(shí)三極管8050基極和發(fā)射極導(dǎo)通，從而集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，開關(guān)打開。P溝道m(xù)os管AO340柵極與8050集電極相連處于低點(diǎn)位狀態(tài)，VGS為-5 V，從而VSD導(dǎo)通，mos管源極有5 V電壓輸出。相比較，升壓輸出過程中蓄電池電壓逐漸降低，升壓電路輸入電壓降低，EN管腳電壓也降低，當(dāng)EN為低電平狀態(tài)時(shí)，三極管關(guān)斷，從而AO3401柵極和源極無啟動(dòng)負(fù)壓，使mos管關(guān)斷，停止輸出。

3.4 顯示電路部分設(shè)計(jì)

此多功能充電器中采用聚合物鋰電池作為中間的儲(chǔ)能裝置。為了能清晰地看出蓄電池的電量狀態(tài)，以TF1186集成電路芯片為核心進(jìn)行蓄電池電量顯示電路設(shè)計(jì)。TF1186集成電路芯片的靜態(tài)能耗較小，能夠?qū)﹄姵夭煌娏窟M(jìn)行4級(jí)顯示。其中25%、50%、75%、100%引腳分別對(duì)應(yīng)蓄電池的4級(jí)電量顯示端；BT為蓄電池電壓檢測(cè)輸入端；GND為接地端；DISP為電量測(cè)試管腳，當(dāng)沒有對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，輕觸按鈕開關(guān)顯示電池電量；VDD為TF1186的內(nèi)部電源輸入端，CHG為充電信號(hào)接入口，當(dāng)高電平時(shí)端口閃爍顯示充電狀態(tài)，電路設(shè)計(jì)如圖8所示，為了給TF1186提供穩(wěn)定的3.3 V直流電壓，其中加入了TF6206低壓差線性穩(wěn)壓器。

圖8 電池電量顯示電路

4 結(jié)語

本文嘗試設(shè)計(jì)了一種多功能便攜式小型充電裝置的電路部分。首先，對(duì)電源部分中的太陽能充電電路和市電充電電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)多功能供電的要求。其次，對(duì)中間蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)：1）蓄電池充電管理電路設(shè)計(jì)，要求達(dá)到便于攜帶、分段充電、自動(dòng)續(xù)充、自動(dòng)關(guān)斷、過熱保護(hù)等實(shí)際應(yīng)用要求；2）蓄電池保護(hù)電路，要求能起到過充保護(hù)、過放保護(hù)和過流保護(hù)等功能；3）升壓輸出電路，滿足負(fù)載設(shè)備5 V的工作電壓要求。最后，進(jìn)行了顯示電路設(shè)計(jì)，滿足蓄電池不同電量的指示顯示和充電狀態(tài)顯示等要求。