王星星 朱興喜

近年來，地震、洪水、泥石流等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，災(zāi)害中的傷病患者也在急劇增多。在野戰(zhàn)及災(zāi)害急救中，電子血壓計、脈搏血氧儀、檢眼鏡及PDA等小型醫(yī)療儀器對掌握傷員的病情和提高救治效果具有極大的作用。但是，在野外戰(zhàn)爭或自然災(zāi)害發(fā)生后，常常因為斷電等原因造成各種小型醫(yī)療器械無法正常使用甚至無法工作，傳統(tǒng)的解決辦法是利用蓄電池或者可充電電池給上述小型醫(yī)療器械供電以保證它們的正常運行，然而當(dāng)蓄電池或者可充電電池輸出電壓降至一定程度時，許多儀器就無法正常工作，這給野外戰(zhàn)爭或自然災(zāi)害中對傷員的救治帶來諸多不便。為此我們提出設(shè)計一種野戰(zhàn)太陽能充電器，使其能在盡可能小的輸入電壓作用下產(chǎn)生合適的輸出電壓來給鎳氫、鎳鎘等可充電電池充電，以滿足電子血壓計、脈搏血氧儀、檢眼鏡及PDA等小型醫(yī)療儀器的使用需求，達到收集電能再利用的目的。

1 太陽能充電器的設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

既然是用于災(zāi)害及戰(zhàn)爭急救過程中的太陽能充電器，就必須能夠提供足夠的充電功率和減小天氣狀況的影響，因此所設(shè)計的太陽能充電器必須既要有足夠?qū)挼目烧{(diào)輸出電壓范圍，又要有較低的啟動電壓以適應(yīng)光照不足的情況；為滿足這一需求，我們選用TPS61201作為初級升壓芯片，其電壓輸入范圍是0.3～5.5 V，啟動電壓為0.5 V，截止電壓0.3 V，可調(diào)輸出范圍為1.8～5.5 V，最高可達600 mA的輸出電流。再用三端可調(diào)正穩(wěn)壓器LM317來設(shè)計穩(wěn)壓電路，LM317的輸出電壓范圍是1.2～37 V,負載電流最大為1.5 A，它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓器好。LM317內(nèi)置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。

1.2 硬件電路的設(shè)計

為方便設(shè)計，我們將太陽能充電器分為電源模塊、升壓模塊、穩(wěn)壓模塊和充電模塊等四個部分分別設(shè)計。

1.2.1 電源模塊

考慮到充電過程中鎳氫、鎳鎘等可充電電池的充電功率，我們選用標(biāo)稱為3 W的太陽能電池板作電源模塊，如圖1所示。其峰值電壓為5.1 V，峰值電流為0.59 A，最大開路電壓可達5.8 V,最大短路電流為0.6 A,可充分滿足鎳氫、鎳鎘等可充電電池的充電需求；考慮到災(zāi)害及野戰(zhàn)過程中天氣因素的影響，在光照不足時，太陽能電池板無法提供足夠的啟動電流來保證TPS61201啟動，因此需要在太陽能電池板的輸出端并聯(lián)一個較大的啟動電容，以保證即便在光照不足的情況下，太陽能電池板仍可以驅(qū)動TPS61201工作。

圖1 5 V3 W太陽能電池板

1.2.2 升壓模塊

升壓模塊以TPS61201為核心，其0.5 V的啟動電壓能最大限度降低天氣狀況的影響，即便在光照很弱的情況下，也可被6 V100 uF的啟動電容啟動工作,經(jīng)過設(shè)置調(diào)整輸出至5.5 V。主要電路如圖2所示：

圖2 升壓電路圖

FB腳的作用是檢測輸出電壓，當(dāng)輸出電壓被正確調(diào)整時，F(xiàn)B腳電壓的典型值為500 mV。輸出電壓的最大推薦值為5.5 V，通過電阻器的電流應(yīng)大于通過FB腳的電流100倍以上。FB腳的典型輸入電流為0.01 μA，F(xiàn)B腳和地之間的電阻R2的典型電壓值為500 mV。基于這兩個值，為了保證R2上的電流不低于1 μA，R2的值應(yīng)低于500 kΩ。Vout腳和FB腳之間的R1的值可以通過公式1得到：

當(dāng)輸出電壓為5.5 V，電阻R2值為200 kΩ時，電阻R1的值約為2 MΩ。

當(dāng)輸出電壓過低時，UVLO腳被用于關(guān)閉輸出，內(nèi)設(shè)閾值為250 mV。R3、R4展示了如何去監(jiān)測輸入電路。通過R4電流應(yīng)大于UVLO腳電流的100倍以上，流進UVLO腳電流的典型值為0.01 μA，R4電壓等于該 UVLO 電壓閾值，即250 mV，所以R4的推薦值在250 kΩ之內(nèi)，而電阻R3的阻值可由公式2得到：

當(dāng)輸入電壓最小為0.3 V，R4阻值為200 kΩ時，R3的值為40 kΩ。

要確保TPS61201能夠運行，還需在Vin腳和L腳之間加一個電感L1，其值可由公式3得到：

推薦的電感值范圍介于1.5 uH和4.7 uH之間，建議使用2.2 uH將使輸入輸出電壓范圍達到最佳性能。

為了改善電路瞬態(tài)和電磁干擾等問題，輸入電容C1至少要4.7 uF，應(yīng)選擇陶瓷電容，放置時離VIN和PGND腳越近越好。

輸出電容C2為小的陶瓷電容，且需要盡可能的靠近芯片的VOUT和PGND引腳,C2的值可由公式4得到：

在VAUX腳和GND腳之間必須加一個電容，該電容用來維持和篩選控制電源電壓。在啟動過程中和主輸出VOUT打開前它被充電，為了確保芯片穩(wěn)定運行，電容C3的值至少為0.1 uF。當(dāng)輸出電壓低于2.5 V時，C3應(yīng)當(dāng)在1 uF左右。由于該電容也被作為主開關(guān)緩沖電容器，使用一個低等效電阻的陶瓷電容是重要的。

1.2.3 穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊以LM317為核心，它的作用是將TPS61201的輸出電壓穩(wěn)定成所需的電壓值，在操作中，LM117運行標(biāo)稱基準(zhǔn)電壓VREF為1.25 V,在輸出和調(diào)整終端之間，基準(zhǔn)電壓是電阻器R1上的電壓值，由于電壓是恒定的，一個恒定的電流I1然后流經(jīng)輸出設(shè)置電阻R2，給出一個輸出電壓，電路如圖3所示：

圖3 LM317穩(wěn)壓模塊電路圖

其輸出電壓值可由公式5決定：

為了減小輸入行的敏感性阻抗，輸入端應(yīng)接入0.1 uF的陶瓷或1.0 uF的鉭旁路電容。另外，為了防止干擾隨著輸出電壓的增加而被放大，輸出終端需接一個10 uF的電容。

為了獲得較寬的電壓輸出范圍，當(dāng)穩(wěn)壓部分的輸入電壓VIN=5.5 V,VOUT=5時，可得可調(diào)電阻R2和電阻R1的比值為3。當(dāng)選擇電阻R1的阻值為180 K時，可變電阻R2的值最大為540 K，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2的值我們即可獲得輸出范圍在1.25～5 V之間的充電電壓。

1.2.4 充電模塊

考慮到該太陽能充電器的最高輸出電壓為5 V，足功率輸出時可同時為串聯(lián)的3～4節(jié)1.2 V的鎳氫、鎳鎘電池充電,為了防止充電完畢或者電路故障等原因造成電路電流的逆流，我們在輸出端設(shè)置一個肖特基二極管SS24，其具有導(dǎo)通電壓低、功耗低、反向截止等特點，可有效保證充電完畢后電池中的電能不外流。

2 結(jié)論與展望

該野戰(zhàn)太陽能充電器的電路設(shè)計簡單，思路明確，質(zhì)量很輕，方便攜帶，能夠有效解決災(zāi)害及戰(zhàn)爭中電力緊缺和電能浪費等問題，在缺少電力的緊急時刻，為鎳氫、鎳鎘等可充電電池充電以滿足電子血壓計、脈搏血氧儀、檢眼鏡及PDA等小型醫(yī)療儀器的使用需求，為醫(yī)生及護士掌握傷員的病情和提高救治效果起到極大的作用。其極低的啟動電壓和截止電壓,允許該太陽能充電器在光照不足的情況下工作,有效的降低了天氣狀況對太陽能電池板的影響,大大提高了該太陽能充電器的使用效率。但是它的設(shè)計是基于高效電器元件的基礎(chǔ)之上，價格相對較貴，而且太陽能電池板易受天氣影響，這在一定程度上影響了野戰(zhàn)太陽能充電器的推廣，因此需要尋求更加廉價高效的升壓芯片和能源轉(zhuǎn)換器來改進設(shè)計。

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