便攜式電子產品光伏充電器硬件電路設計及系統調試

摘" 要：為解決智能手機、數碼相機等便攜式電子產品的戶外充電需求，光伏充電器應運而生。光伏充電器的硬件部分包括太陽能電池板、蓄電池以及各類電路，該文重點對光伏充電器硬件電路的設計與調試展開研究分析。首先介紹單片機主控電路、電源電路、充電電路與蓄電池溫度檢測電路的設計要點，隨后對太陽能電池以及各類電路進行調試。結果表明，太陽能電池的光生電流和光生電壓與光照強度成正比；使用Multisim仿真軟件進行電路仿真，充電電路的輸出電壓為穩定的5 V，經過穩壓電路處理后以4.2 V電壓向蓄電池充電。溫度檢測電路可以在蓄電池滿電后自動斷開、避免過充，保護蓄電池。

關鍵詞：光伏充電器；電源電路；恒壓電路；太陽能電池；蓄電池

中圖分類號：TM615" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0111-04

Abstract： In order to solve the outdoor charging demand of smart phones， digital cameras and other portable electronic products， photovoltaic charger emerges at the historic moment. The hardware part of photovoltaic charger includes solar panel， battery and various circuits. This paper focuses on the design and debugging of photovoltaic charger hardware circuit. This paper firstly introduces the main design points of SCM main control circuit， power supply circuit， charging circuit and battery temperature detection circuit. The results show that the photogeneration current and photogeneration voltage of solar cells are proportional to the intensity of light; when Multisim simulation software is used for circuit simulation， the output voltage of the charging circuit is stable 5V， and the battery is charged with a voltage of 4.2V after being processed by the voltage regulator circuit. The temperature detection circuit can be automatically disconnected after the battery is fully charged to avoid overcharging and protect the battery.

Keywords： photovoltaic charger; power circuit; constant voltage circuit; solar cell; battery

太陽能光伏發電是目前技術較為成熟、轉化效率較高的一種清潔發電技術，光伏充電器的原理就是利用太陽能電池板將光能轉化為電能，經過穩壓后使電壓相對恒定，然后為蓄電池充電。光伏充電器內部包含了多種類型的硬件電路，例如保證單片機采集信息和發送指令的主控電路，為蓄電池充電的充電電路，以及為避免蓄電池過充而設計的蓄電池溫度檢測電路等。科學設計硬件電路并進行硬件調試，或者是仿真軟件的支持下開展仿真調試，根據調試結果不斷優化電路，才能保證光伏充電器的安全和高效使用。

1" 光伏充電器硬件電路設計

1.1" 單片機主控電路設計

本文設計的光伏充電器選用Atmel公司生產的Atmega48型單片機作為主控電路的核心。該單片機在接收采樣電路上傳的模擬信號后進行分析，并根據程序生成相應的指令，以PWM信號的方式傳遞到前端驅動電路，通過電路的開閉來控制功率開關管的通斷。根據實現功能的不同，單片機主控電路又可分為時鐘電路與復位電路。時鐘電路的作用是確保單片機在工作時各項工作都能按照時間順序進行。本文利用Atmega48單片機的第9（XTAL1）和第10（XTAL2）2個引腳構建內部時鐘，2個引腳的引出線分別連接在3.7 MHz晶體振蕩器的兩端，并且在晶振的兩側接入一個容量為30 pF的電容[1]。復位電路的作用是進行系統的初始化，本文使用Atmega48單片機的RESET引腳構建復位電路，當該引腳經過一個低電平后即可完成復位，復位電路如圖1所示。

圖1中，在VCC通電的瞬間，電容C8為短路狀態，此時RESET端為低電平。隨著二極管快速放電，RESET端在得電位后快速上升為高電平，達到復位的目的。

1.2" 電源電路設計

1.3" 充電電路設計

在太陽能電池板接入充電電路后，首先經過一個主開關，利用蓄電池溫度檢測電路判斷蓄電池是否需要充電。如果蓄電池為滿電狀態，則主開關斷開，不充電；如果蓄電池的電量不滿，則主開關閉合，才能使太陽能電池板將轉化后的電能輸入到充電電路中。主開關之后連接一個紅色發光二極管，若發光表明正在充電。另外，為了避免出現蓄電池電壓高于太陽能電池板電壓進而出現“反向充電”的情況，在設計充電電路時還加入了一個防反沖的肖特基二極管[2]。利用Atmega48單片機的ADC0引腳和ADC1引腳接收太陽能電池板的輸出電壓和輸出電流，從而實現對充放電的自動調控。另外，考慮到太陽能電池板的輸出電流較小（達不到0.1 mA），遠遠達不到過流損壞蓄電池的標準，因此基于成本考慮在充電電路中并未設計大電流保護電路。

1.4" 恒壓電路設計

為了進一步提高充電效率和延長蓄電池使用壽命，本文設計了恒壓電路。Atmega48單片機會每隔一段時間采集一次蓄電池的當前電壓值，當實時電壓達到4.2 V后恒壓電路閉合，開始以4.2 V恒定電壓充滿蓄電池的剩余容量。恒壓電路如圖2所示。

1.5" 電池充滿指示電路

本文選擇了一種倒計時的方式來確認充電是否完成。當光伏充電器開始以4.2 V恒壓向蓄電池充電時，開始進入5 min的倒計時。倒計時結束后表示蓄電池已經被充滿電。這時電池充滿指示電路會給PB3一個高電平，綠色發光二極管亮起，完成充電。

1.6" 蓄電池溫度檢測電路設計

便攜式電子產品的電池溫度通常適合在0～40 ℃環境下工作，如果溫度太低會導致電池放電過快、電量明顯衰減；如果溫度太高，又會增加電池燃燒、爆炸的風險。因此，還需要設計一個蓄電池溫度檢測電路從而實現對蓄電池溫度的動態監測。這里以手機電池為例，自定義溫度上限為40 ℃，當蓄電池溫度檢測電路檢測到實際溫度超過40 ℃時，需要停止充電[4]。該電路的組成如圖3所示。

2" 光伏充電器硬件系統的調試

2.1" 太陽能電池特性測試

本文設計的光伏充電器使用了多晶硅太陽能電池，光電轉換效率最高可達18%。太陽能電池的光生電流、光生電壓均與光照強度有關，為了驗證其對應關系，使用光伏充電器硬件系統進行了太陽能電池特性測試。

將電流表的2個接線夾分別連接到太陽能電池的正負極，建立電流表與太陽能電池的串聯電路，此時電流表測量的是太陽能電池的短路電流。然后改變實驗室內的光照強度，初始光照強度為100 lx，每次增加150 lx，并記錄當前光照強度下電流表的讀數。繪制光照強度從100 lx上升至1 300 lx時光生電流的變化曲線，如圖4所示。

根據圖4可知，太陽能電池的光生電流與光照強度成正比。按照同樣的方法，另外選擇一個電壓表與太陽能電池串聯，此時電壓表測量的是太陽能電池的開路電壓。然后改變實驗室內的光照強度，初始光照強度為100 lx，每次增加150 lx，并記錄當前光照強度下電壓表的讀數。繪制光照強度從100 lx上升至1 300 lx時光生電壓的變化曲線，如圖5所示。

根據圖5可知，太陽能電池的光生電壓與光照強度為正比關系。

2.2" 充電電路的仿真調試

光伏充電器的充電電路主要有2個功能：其一是給太陽能電池的輸出電壓升壓；其二是為蓄電池充電。本文使用Multisim仿真軟件創建了充電電路，在仿真電路中使用電壓源模塊模擬太陽能電池板輸出電壓；引入一個函數發生器輸出PWM信號，并將該信號的占空比設定成0.8；選用具有正向壓降功能的1N4633型二極管，起到降低電壓、過流保護的作用[5]。仿真結果表明，在電壓源輸出電壓為3 V的情況下，經過充電電路的升壓作用，最終輸出電壓達到了6.16 V。在二極管的正向壓降作用下，將充電電路的輸出電壓降低至5 V，并作為穩壓電路的輸入電壓。

2.3" 穩壓電路的仿真調試

本文使用Multisim仿真軟件創建了4.2 V穩壓電路，電路圖如圖6所示。使用一個容量為20 nF的電解電容模擬蓄電池，主開關Q2的柵極與5 V電源的正極相連，實現開關的閉合。

在仿真實驗中，如果充電電路的輸出電壓不足5 V，此時穩壓電路的輸出電壓達不到4.2 V。在仿真調試中，將充電電路的輸出電壓設定為4.8 V，此時觀察到穩壓電路的輸出電壓為4.16 V。當充電電路的輸出電壓達到5 V后，該仿真電路可以穩定輸出4.2 V電壓。

2.4" 溫度檢測電路的調試

光伏充電器的蓄電池溫度檢測電路中有一塊熱敏電阻，在25 ℃環境下電阻值為51 kΩ。隨著溫度的升降，阻值會發生相應地變化，溫度與阻值的對應關系見表1。

當蓄電池溫度達到40 ℃時，根據電壓計算公式求得ADC3采樣點的電壓

如果溫度檢測電路在該采樣點檢測到的實際電壓超過了0.751 V，則以中斷的形式送給PBO端高電平，從而斷開充電電路，完成蓄電。同時，溫度檢測電路每隔一定時間（默認為30 s）進行一次采樣，如果最新一次的檢測電壓低于0.751 V，則接通充電電路，繼續向蓄電池送電，直達下一次電壓檢測達到0.751 V，重復上述步驟。

3" 結束語

在傳統化石能源日益緊缺的背景下，太陽能光伏發電技術的成熟發展將有望化解能源危機、減輕環境污染。適用于便攜式電子產品的光伏充電器，其硬件部分主要由太陽能蓄電池、單片機、電源電路和充電電路等幾部分組成，太陽能電池板在光照強度一定的情況下，能夠產生電壓和電流，驅動充電電路。由于光照強度時強時弱，因此充電電路的輸出電壓有高有低；將該輸出電壓作為穩壓電路的輸入電壓，經過穩壓處理后輸出恒定的5 V電壓，然后為蓄電池恒壓充電，滿足了便攜式電子產品的戶外用電需要。

參考文獻：

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[4] 周其進，王冰.基于MC9S12的車載智能光伏充電器的設計[J].計算機測量與控制，2010，18（4）：868-870，874.

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