野戰太陽能充電器的設計

王星星 朱興喜

近年來，地震、洪水、泥石流等自然災害頻頻發生，災害中的傷病患者也在急劇增多。在野戰及災害急救中，電子血壓計、脈搏血氧儀、檢眼鏡及PDA等小型醫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，在野外戰爭或自然災害發生后，常常因為斷電等原因造成各種小型醫療器械無法正常使用甚至無法工作，傳統的解決辦法是利用蓄電池或者可充電電池給上述小型醫療器械供電以保證它們的正常運行，然而當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，這給野外戰爭或自然災害中對傷員的救治帶來諸多不便。為此我們提出設計一種野戰太陽能充電器，使其能在盡可能小的輸入電壓作用下產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 太陽能充電器的設計

1.1 設計思路

既然是用于災害及戰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，因此所設計的太陽能充電器必須既要有足夠寬的可調輸出電壓范圍，又要有較低的啟動電壓以適應光照不足的情況；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。再用三端可調正穩壓器LM317來設計穩壓電路，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置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的穩壓器好。LM317內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路。

1.2 硬件電路的設計

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

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；考慮到災害及野戰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,經過設置調整輸出至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，當輸出電壓被正確調整時，FB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，FB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。

當輸出電壓過低時，UVLO腳被用于關閉輸出，內設閾值為250 mV。R3、R4展示了如何去監測輸入電路。通過R4電流應大于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，而電阻R3的阻值可由公式2得到：

當輸入電壓最小為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。

為了改善電路瞬態和電磁干擾等問題，輸入電容C1至少要4.7 uF，應選擇陶瓷電容，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，為了確保芯片穩定運行，電容C3的值至少為0.1 uF。當輸出電壓低于2.5 V時，C3應當在1 uF左右。由于該電容也被作為主開關緩沖電容器，使用一個低等效電阻的陶瓷電容是重要的。

1.2.3 穩壓模塊

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

圖3 LM317穩壓模塊電路圖

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，當穩壓部分的輸入電壓VIN=5.5 V,VOUT=5時，可得可調電阻R2和電阻R1的比值為3。當選擇電阻R1的阻值為180 K時，可變電阻R2的值最大為540 K，通過調節可調電阻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的3～4節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，我們在輸出端設置一個肖特基二極管SS24，其具有導通電壓低、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 結論與展望

該野戰太陽能充電器的電路設計簡單，思路明確，質量很輕，方便攜帶，能夠有效解決災害及戰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等小型醫療儀器的使用需求，為醫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。但是它的設計是基于高效電器元件的基礎之上，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換器來改進設計。

[1]任笑慧.微功耗升壓式開關電源MIC2141[J].應用天地,2001(9):19.

[2]Maxim公司.用于ADSL2+芯片組的2.2 MHz降壓或升壓變換電源[J].電子與電腦,2006(6):79-80.

[3]華坤,李彥.太陽能LED路燈控制器的設計[J].單片機開發與應用,2009,25(2):105.

[4]啜保昌,張巧杰.光伏供電系統在無線傳感器網絡中的應用[J].2010,18(1):146-149.

[5]張玉國,趙湛.無線傳感器網絡節點能量供應系統的設計[J].2008,24(2-1):129-131.

[6]何朝陽,戴君,吳立琴.太陽能路燈控制品的設計[J].電力電子技術,2006(12):69-72.

[7]王小云,胡赤兵,彭燕,蓄電池智能檢測[J].微計算機信息,2007(1):213-214.