鄭永翀，秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)新型材料與器件研究所，浙江杭州310018)

太陽(yáng)能充電90 W移動(dòng)電源

鄭永翀，秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)新型材料與器件研究所，浙江杭州310018)

目前，市場(chǎng)流行的小功率移動(dòng)電源已無(wú)法滿足，如筆記本等大功率數(shù)碼產(chǎn)品的供電需求，同時(shí)單一的充電方式使得移動(dòng)電源的續(xù)航能力得不到保障。根據(jù)市場(chǎng)需求分析，提出一款可以使用適配器、太陽(yáng)電池、車(chē)載電池充電的充電方式以及輸出功率多樣化，且性能安全可靠的移動(dòng)電源。其主要包括太陽(yáng)能充電、20 V輸出、12 V輸出、5 V輸出、電量顯示電路以及保護(hù)等電路模塊。

移動(dòng)電源;太陽(yáng)能充電;升壓;90 W

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高，人們手中的數(shù)碼產(chǎn)品不斷增加，移動(dòng)電源與人們的生活產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系，因此移動(dòng)電源將會(huì)走向飛速發(fā)展的時(shí)代[1]。但是移動(dòng)電源的發(fā)展過(guò)快也存在一些問(wèn)題：(1)充電方式單一，目前市場(chǎng)上的移動(dòng)電源基本上是用市電充電；(2)安全性能不夠完善，沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；(3)通用性差，移動(dòng)電源的輸出功率和便攜式電子產(chǎn)品的輸入功率不匹配[2]。目前市場(chǎng)上的移動(dòng)電源輸出電壓為5 V，輸出電流為1 A到2 A，這只能滿足一些小功率電子產(chǎn)品，無(wú)法滿足筆記本等大功率數(shù)碼產(chǎn)品的使用。本文旨在提出一款充電方式以及輸出功率多樣化，且性能安全可靠的移動(dòng)電源方案。

1 移動(dòng)電源總體構(gòu)架

整個(gè)系統(tǒng)主要由充電模塊、電池模塊、輸出模塊三部分組成。充電模塊主要包括太陽(yáng)電池板[3]和充電電路，既可以用太陽(yáng)能充電，也可以用車(chē)載電源充電，還可以使用市電充電，解決了適應(yīng)于不同場(chǎng)合的充電問(wèn)題；電芯選用聚合物鋰電池組合而成；輸出模塊主要包括給筆記本充電的升壓模塊(最大功率達(dá)90 W)，給手機(jī)充電的降壓模塊以及鋰電池組直接輸出模塊。電路中還實(shí)現(xiàn)了欠過(guò)壓保護(hù)、溫度保護(hù)、短路保護(hù)等整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能充電模塊設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能充電電路通過(guò)一個(gè)經(jīng)典的Buck電路實(shí)現(xiàn)，由Q1、D2、L1、C5組成。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)Q1把部分能量存入電感L1，其余的能量傳遞到了輸出端為負(fù)載提供能量。由于此時(shí)電感中有電流流過(guò)，故兩端會(huì)有一個(gè)電壓，從而達(dá)到了降壓的目的。開(kāi)關(guān)Q1關(guān)斷時(shí)，輸入端電源將不再給電路提供能量，此時(shí)電路中的能量由電感提供，二極管D1正向?qū)?，將能量傳遞給輸出端。此處電容C5為負(fù)載提供了一個(gè)穩(wěn)定的電壓,如圖2所示。

控制電路由電池管理芯片CN3705實(shí)現(xiàn)。CN3705是一款PWM降壓模式的充電管理芯片，輸入電壓范圍7.5～28 V，充電電流最高可達(dá)5 A，PWM開(kāi)關(guān)頻率為300 kHz，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[4]。它具有涓流、恒流和恒壓充電模式。在恒壓充電模式，恒壓充電電壓通過(guò)2個(gè)電阻對(duì)充電電壓進(jìn)行分壓，設(shè)定其分壓比值達(dá)到理想的電壓值。電池端對(duì)應(yīng)的電壓關(guān)系式為：

圖2 充電原理圖

在恒流充電模式中，充電電流通過(guò)在回路中接一個(gè)較小的電阻，通過(guò)計(jì)算電阻值來(lái)設(shè)定：

在涓流充電模式中，用恒流充電15%的電流進(jìn)行充電，其開(kāi)啟條件為電池電壓低于設(shè)定恒壓值的66.7%。當(dāng)充電結(jié)束以后，如果沒(méi)有拔掉充電器，由于電池自放電等其他因數(shù)，電池兩端的電壓將會(huì)緩慢下降，影響電池的用量。故此時(shí)將對(duì)電池電壓繼續(xù)采樣，當(dāng)其降低到所設(shè)置恒壓充電值的91.1%時(shí)，即當(dāng)電池電壓降到11.48 V時(shí)，將開(kāi)始新的充電周期，這樣可以保證電池的飽滿度在80%以上。該電路不僅可以用太陽(yáng)電池板充電，還可以用適配器或者車(chē)載電池充電，輸入電壓范圍為15～24 V。

2.2 升壓模塊設(shè)計(jì)

選用UC3843作為DC-DC升壓的主控制芯片。UC3843是一款高性能的固定頻率電流模式控制器，專(zhuān)為DC-DC直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，低壓鎖定門(mén)限為8.5 V(通)和7.6 V(斷)。UC3843屬于單端“圖騰柱”輸出，最大輸出電流可高達(dá)1 A，能直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，能進(jìn)行精確的占空比控制。芯片還具有輸入和參考欠壓鎖定、自動(dòng)前饋補(bǔ)償、逐周電流限制、低工作電流等特點(diǎn)。UC3843最大工作頻率為500 kHz，最大占空比可高達(dá)96%。由于其具有性能好、成本低、外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大設(shè)計(jì)者的青睞，其特別適用于輸出功率在100 W以下的小功率開(kāi)關(guān)電源[5]。

圖3為升壓原理圖。其中鋰電池組、L3、D5、Q4、C16構(gòu)成一個(gè)經(jīng)典的Boost升壓電路，開(kāi)關(guān)管Q4導(dǎo)通時(shí)，輸入端鋰電池組為電感L3提供能量，此時(shí)輸入端與輸出端斷開(kāi)，負(fù)載端的能量由電容C16提供。開(kāi)關(guān)管Q4斷開(kāi)時(shí)，電感L3儲(chǔ)存的能量與輸入端電源共同為負(fù)載提供能量[6]。此時(shí)電感兩端有一個(gè)壓差，其極性與電源電壓一致，故能達(dá)到升壓的目的。電容兩端的電壓不能突變，此處電容為負(fù)載提供了一個(gè)穩(wěn)定的電壓[7]。芯片UC3843通過(guò)輸出端分壓反饋回來(lái)的信號(hào)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管Q4的占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。其開(kāi)關(guān)頻率由R22和C25設(shè)定，計(jì)算公式為：

圖3 升壓原理圖

芯片3腳接電流反饋信號(hào)，T1為電流互感器，當(dāng)電路中電流過(guò)大時(shí)，芯片自動(dòng)關(guān)閉達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。升壓電路作為本設(shè)計(jì)的主要部分，主要為筆記本供電，輸出電壓20 V，最大電流達(dá)4.5 A。

2.3 降壓模塊設(shè)計(jì)

降壓設(shè)計(jì)芯片選用LM2576T-5.0，具有十分優(yōu)良的電壓調(diào)整率以及負(fù)載調(diào)整率。其輸出電壓容差為±4%，內(nèi)置兩級(jí)過(guò)流保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)電路。芯片外圍電路設(shè)計(jì)主要包括濾波電容、儲(chǔ)能電感、二極管等，如圖4所示。

圖4 降壓原理圖

以固定的52 kHz頻率對(duì)NPN開(kāi)關(guān)管進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)斷操作。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源對(duì)電感充電，電感儲(chǔ)存能量，電流以線性方式上升。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電源與電感回路斷開(kāi)，電感形成反向的感應(yīng)電壓，二極管正向?qū)?，電感將釋放能量為?fù)載供電。當(dāng)輸出電壓改變時(shí)，反饋電壓也發(fā)生改變，通過(guò)與芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，將誤差信號(hào)放大后，再與振蕩器進(jìn)行比較。通過(guò)改變PWM的占空比，調(diào)整開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)，從而得到一個(gè)穩(wěn)定連續(xù)的輸出電壓，主要為小功率數(shù)碼產(chǎn)品供電，輸出5 V，最大電流2.1 A。

2.4 保護(hù)與顯示電路設(shè)計(jì)

為了更有效地對(duì)移動(dòng)電源進(jìn)行控制，從而使其在安全性能，用戶(hù)體驗(yàn)等方面得到提高，故在其充放電過(guò)程中都用單片機(jī)進(jìn)行控制。在這一過(guò)程中，單片機(jī)主要起到電路保護(hù)和電量顯示的作用。在發(fā)熱元件附近放入NTC，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)電路的溫度，當(dāng)其達(dá)到設(shè)計(jì)的最高溫度時(shí)斷開(kāi)電路；對(duì)電池組電壓進(jìn)行分壓采樣，當(dāng)電壓小于或大于設(shè)定值時(shí)，斷開(kāi)電源。其采樣電路如圖5所示。

圖5 采樣原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括電量顯示和電量保護(hù)。電路保護(hù)主要有欠壓保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。首先通過(guò)PIC16單片機(jī)采集電池兩端的電壓信號(hào)來(lái)確定電壓是否正常。若電壓低于8.5 V或者高于12.8 V，單片機(jī)6腳輸出高電平，MOS管導(dǎo)通，繼電器吸合，斷開(kāi)主電路。

電量顯示通過(guò)單片機(jī)控制一組LED實(shí)現(xiàn)。4個(gè)LED全亮，表示此時(shí)電池電量大于75%；點(diǎn)亮3個(gè)LED，表示此時(shí)電池電量在50%～75%之間；點(diǎn)亮2個(gè)LED，表示此時(shí)電池電量在25%～50%之間；點(diǎn)亮1個(gè)LED，表示此時(shí)電池電量在0%～25%之間，用戶(hù)應(yīng)及時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。其過(guò)程主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，流程圖如圖6。

圖6 軟件流程圖

4 總結(jié)

將移動(dòng)電源的多種充電方式和多種放電方式集成于一體，提高了產(chǎn)品的通用性。經(jīng)過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)測(cè)出充電效率約90%。較大的功率輸出和較高的轉(zhuǎn)換效率可以使其滿足消費(fèi)者從手機(jī)、MP3、相機(jī)等到PAD、筆記本電腦、LED照明等用電器移動(dòng)用電需求，20 V/4.5 A的轉(zhuǎn)換效率約90%。完善了移動(dòng)電源所需要的各種保護(hù)功能，使該產(chǎn)品性能更加安全穩(wěn)定。該移動(dòng)電源尤其適用于戶(hù)外或野外工作者，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)前景。

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Solar charging of 90 W mobile power supply

ZHENG Yong-chong,QIN Hui-bin
(Institute of New Materials and Devices,Hangzhou Electronic Science and Technology University,Hangzhou Zhejiang 310018,China)

Nowadays, the existing low power mobile power can't be able to meet the need when used in the high-power power supply such as notebook.Meanwhile the single charging way can't guarantee cruising power of mobile power supply.According to the market demand analysis,a diversified charging ways of mobile power supply was proposed,which could use adapter,solar battery and car battery charging mode with reliable performance and safety.The system mainly consisted of five circuit modules,namely solar charging,three different output channels with 20,12,5 V,the remaining capacity display circuit and system protection circuit.

mobile power supply;solar battery charging;Booster;90 W

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1028-03

2016-12-15

鄭永翀（1990—），男，浙江省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源。