基于TPS5430和MAX1674的智能充電器

孫道宗，王衛星，姜 晟，孔繁波

（華南農業大學 工程學院，廣東 廣州 510642）

太陽能的開發及利用在大力提倡發展低碳經濟的時代背景下日益受到矚目。我國光伏產業以每年30%的速度增長，最近三年全球太陽能電池總產量平均年增長率高達49.8%以上[1]。而通信設備、田間測量儀器等便攜式電子產品的普及使得以太陽能電池板為基礎的便攜式充電裝置倍受青睞，不受地域限制，能夠在傳統充電器無法工作的場合進行應急或可持續充電。目前，充電電池的充電技術主要有電壓負增量控制、時間控制、溫度控制、最高電壓控制技術等。假設充電電池的電壓保持恒定的條件下，利用LM393、ICL7660等元件構成的切換電路控制，由TPS5430降壓電路和MAX1674升壓電路組成智能充電器，由可調直流電源模擬當太陽能電池板的輸出電壓大范圍變化時，實現充電器的自動啟動并盡可能地增大充電電流來實現充電效率的提高。

1 理論分析與計算

充電器的測試原理示意圖如圖1所示。假定太陽能電池板的輸出功率有限，電動勢Es在一定范圍內緩慢變化，監測和控制電路采用間歇工作方式，以降低能耗。可充電池的電動勢 Ec恒定為 3.6 V，內阻 Rc為 0.1 Ω。

2 硬件電路設計

充電器硬件電路組成框圖如圖2所示。充電器由切換電路自動判斷直流電源輸入電壓，選擇升壓或降壓電路，實現在工作電壓范圍內自動切換，模擬對充電電池的充電效果。

2.1 切換電路設計

切換電路用于切換充電器升壓工作和降壓工作兩種模式。設定切換的閾值電壓為3.6 V，閾值電壓由可調電阻設定并可調。充電電壓超過閾值電壓時降壓電路工作，低于閾值電壓時升壓電路工作。切換電路由場效應管、電壓比較器等分立元件構成，原理圖如圖3所示。

圖3中，輸入端VIN（P1）接充電電源，輸出端P2接MAX1674升壓電路的輸入端，肖特基二極管VD1用于防止電流倒灌。穩壓器TL431為電壓比較器LM393的負輸入端提供參考電壓。輸入端VIN（P1）通過濾波后接入電壓比較器LM393的正輸入端。調節R_ad可調電阻，使輸入小于3.6 V時電壓比較器LM393輸出負電壓，P溝道MOS管IRLM16402 VQ1、VQ2和 VQ3導通，VQ1，VQ2的漏極連接升壓電路， 使切換電路輸入、輸出端短接，使充電電壓接至升壓電路。當輸入大于3.6 V 時，輸出高電平，VQ1、VQ2和 VQ3截止，此時 MAX1674 升壓電路無輸入。VD2、VD3的作用是當電壓大于3.6 V時，LM393的負電源端接地；當電壓小于5.5 V時，LM393負電源通過VQ3接ICL7660的負電壓輸出引腳。

2.2 升壓/降壓電路設計

升壓電路主要由升壓式DC-DC電源轉換器MAX1674組成，升壓后輸出4 V直接對電池進行充電。MAX1674升壓電路如圖4所示。

降壓電路主要由降壓DC-DC轉換器TPS5430組成，降壓后直接對電池進行充電。TPS5430降壓電路如圖5所示。

3 試驗結果及分析

1）電源內阻 Rs=100 Ω，調整 Es的大小，使其在 10～20 V范圍內變化，記錄數據如表1所示。

表1 高壓充電測試數據Tab.1 Test data of high voltage charge

由表1可見，在Es為10 V時，實測充電電流與理論值存在5.9 mA的偏差，充電電流低、充電器的轉換效率不高可能與芯片的轉換效率和輸入電壓有關，由TPS5430的數據資料可知，在輸入電壓為10 V左右，輸出電流約為60 mA時，其工作效率約為92%。而在12～20 V范圍內，實測充電電流大于理論計算充電電流值。

2）逐漸降低Es，直到充電電流 Ic略大于 0時，記錄對應的電源電壓Es，該電壓即為最低可充電電壓。為保證準確性，對多個不同的電源電壓值進行測試，選取最優3組數據記錄如表2所示。

表2 降壓電路最低可充電電壓Tab.2 minimum charge voltage for buck circuit

由表2可見，當Es下降到3.6 V時，充電電流為0，充電器不能再對電池進行充電，故最低可充電電壓為3.6 V。

3）從 0 開始逐漸升高 Es，Rs為 0.1 Ω；當 Es升高到高于1.1 V時，更換Rs為1 Ω。然后繼續升高Es，直到充電電流略大于0，記錄此時的電源電壓值，該電壓即為自動啟動充電功能的啟動電壓。為保證準確性，對多個不同的電源電壓值進行測試，選取最優4組數據記錄如表3所示。

表3 自動啟動充電功能電壓Tab.3 Automatically start charging voltage

由表3可見，當Es小于3.6 V時，充電電流持續為0，一旦Es上升到3.6 V后，充電電流由0開始增加，即自動啟動充電電壓為3.6 V。

4）Es降低到不能向電池充電，最低至0時，檢測放電電流。為保證準確性，對多個不同的電源電壓值進行測試，選取最優3組數據記錄如表4所示。

表4 放電電流Tab.4 Discharge current

由表4可知，當電源電動勢下降到最低可充電電壓時，電池開始放電，放電電流為3 mA。考慮到放電電流受倒灌電阻Rd影響，改變Rd的大小可改變放電電流。試驗表明，Rd=15 Ω時放電電流最小。

5）接上電源內阻 Rs=1 Ω，調整 Es，使其在 1.2～3.6 V 范圍內變化。數據記錄如表5所示。

表5 低壓充電測試數據Tab.5 Test data of low voltage charge

由表5可見，隨著電源電勢的增加，充電電流也隨著增加，直到當Es達到3.2 V時，充電電流不再跟隨電源電勢變化。當電源電勢為3.2 V時，充電電流最大，為256 mA。導致充電電流突變的原因是升壓器件MAX1674在不同輸入電壓下轉換效率不同。由于MAX1674在超過3 V電壓下工作時轉換效率低，所以充電電流出現非線性的突變。

6）當 Es≥1.1 V 時，取 Rs=1 Ω；當 Es＜1.1 V 時，取 Rs=0.1 Ω。測量向電池充電的Es，記錄數據如表6所示。

表6 升壓電路最低可充電電壓Tab.6 Minimum charge voltage for boost circuit

由表6可知，逐漸降低電源電勢Es時，充電電流也隨著下降。當Es到達0.4 V時輸出電壓已經在0 V附近變化，因此能向電池充電的最低Es為0.4 V。

4 結 論

本設計以切換電路為控制核心，控制升壓型電路和降壓型電路對電池進行充電。該充電器輸出電壓能夠恒定在4 V，自動啟動充電功能的Es為3.6 V，Es降低到不能向電池充電時，電池放電電流為3 mA，電路適合由輸出電壓波動較大的太陽能電池板供電的便攜式充電器，且充電效率高于傳統的充電器。

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