折疊式野外太陽能充電器設計與實現

江 漢，闞春榮，湯 明，楊 勇

（解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

隨著手機等移動電子設備的日益普遍以及功能增多，電池儲能的容量顯得十分有限。野外作業等遠離市電的人，會經常遇到手機電池耗盡尷尬情況。目前，市面上出現了一些太陽能充電移動電源設備，但都存在一些缺陷[1-2]：有的充電器不具備穩壓保護電路，輸出電壓會受光照強度的影響，輸出電壓不穩定；有的設備無板載鋰電池等儲能設備，只能在有光照條件下對外充電，使用不方便。

本文針對野外作業的需求，設計了一種高效的便攜式太陽能充電器，該設計包括光電轉換、穩壓升壓輸出、沖放電保護電路等模塊。設計的充電器既可將太陽能儲存在自帶鋰電池里也可直接對外充電，系統輸出電壓穩定，實現了無市電場合下的綠色能源轉化和利用，極大方便了野外作業應急電源的需求。

1 系統設計

1.1 整體方案設計

折疊式野外太陽能充電器的整體設計方案如圖1所示。系統主要組成包括：折疊式太陽能板、穩壓控制電路、鋰電池保護電路、升壓電路和大容量鋰電池。為了盡可能的增大充電的輸出功率，系統采用了折疊式的光電轉換板，滿足野外作業對便攜性、穩定性和可靠性的需求。

1.2 充電電路設計

圖1 系統整體方案設計Fig.1 Architecture of system design

充電電路采用專用充電芯片TP4056及其外圍電路組成。TP4056是專門為鋰電聚合物電池而設計的線性充電芯片，利用芯片內部的功率晶體管對電池進行恒流和恒壓充電。理論和實踐證明[3]，鋰電池的充放電，是一個復雜的化學過程，鋰電池一般是分三階段進行充電，典型的充電曲線如圖2所示。

圖2 鋰電池充電理論曲線Fig.2 Theory curve of Li-Lion battery charge process

當電池電壓小于涓流門限充電電壓（3 V）時，用較小電流（＜100 mA）進行預充電；當電池電壓大于涓流門限充電電壓且小于浮充電壓（4.2 V）時，用較大電流行恒流快速充電；當電池電壓上升至浮充電壓，進行恒壓充電，在充電電流減小至終止電流ITERM，充電完成。

充電電流由TP4056芯片的PROG管腳和GND之間的電阻RPROG確定，最大持續充電電流可達1A。TP4056包含兩個漏極開路輸出的狀態指示輸出端，充電狀態指示端和電池故障狀態指示輸出端。當輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值和芯片使能輸入端接高電平時，TP4056開始對電池充電管腳輸出低電平，表示充電正在進行。當充電電流減小到充電結束閾值時，充電周期結束端輸出高阻態端輸出低電位。本文應用TP4056設計的鋰電池充電電路如圖3所示。

圖3 基于TP4056的充電電路設計Fig.3 Charge circuit based on ICTP4056

1）充電電流的設定

充電電流是采用一個連接在PROG引腳與地之間的電阻器來設定，由下列公式來計算：

RPROG與充電電流的關系也可參照簡表1。

表1 可調節電阻阻值與充電電流關系參考表Tab.1 Reference resister value and charge current

2）充電終止的判定方法

電池電壓在達到最終浮充電壓之后，當充電電流降至設定值的1/10時，充電循環被終止。該條件是通過采用一個內部濾波比較器對PROG引腳進行監控來檢測的。當PROG引腳電壓降至100 mV以下的時間超過tTERM（一般為1.8 ms）時，充電被終止。充電電流被鎖斷，TP4056進入待機模式，此時輸入電源電流降至55μA。

在待機模式中，TP4056對BAT引腳電壓進行連續監控。如果該引腳電壓降到4.05 V的再充電門限（VCHARG）以下，會激活一個充電循環開始并再次向電池供應電流。

1.3 鋰電池保護電路

本文采用鋰電池充放電專用保護芯片DW01+和場效應管（MOSFET）8205A來設計保護電路。DW01+是一個鋰電池保護電路專用芯片，具有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路，具有過放、過沖、短路檢測等功能。8205A是N溝道增強型功率場效應管，具有快速開關、超低導通電阻的特點，適用于設計電池保護或低壓開關的電路。本文設計的保護電路原理圖如圖4所示。

圖4 鋰電池保護電路工作原理Fig.4 Protect circuit of Li－Lion battery

限于篇幅，以下只就過充電保護和過放電保護過程做簡要的描述，其他過程可參考DW01+和8205A的數據手冊。

正常工作狀態：

該電路主要由DW01+和N溝道MOSFET管的8205A組成， 其中 8205A可以看成是兩個開關 （S1－D1，S2－D2）當DW01+的 Vcc管腳電壓在正常范圍內 （2.5V～4.3V）時，DW01+的第 1、3腳輸出高電平，即 8205A的第5腳、第 4腳對應的MOSFET管G極處于高電平，等效的2個開關都導通，電池正常放電。

過放保護狀態：

電池通過負載進行放電，電壓下降，DW01+監測電池電壓Vcc低于2.3V時DW01+的OD管腳輸出低電平，8205A的等效開關S2－D2斷開，放電停止。當DW01+經CSI檢測到P+、P－間的充電電壓后，OD管腳重新輸出高電平，8205A的等效開關S2－D2導通，電池恢復放電。

過充保護狀態：

電池充電時，電壓升高。電壓下降，DW01+監測電池電壓Vcc低于2.3V時DW01+的OC管腳輸出低電平，8205A的等效開關S1－D1斷開，充電停止。

1.4 鋰電池升壓電路

鋰電池的放電電壓為3.7～4.2 V，而系統對外放電電壓為5 V，需要一個高效升壓電路實現轉換。系統采用SX1315系列的開關電壓轉換器件完成電壓升壓電路設計。

圖5 升壓原理圖Fig.5 Principle block diagram of boost

升壓轉換器升壓原理如下[4]：升壓工作過程可以分為兩個階段:充電過程和放電過程。充電過程：當Lx開關驅動晶體管導通時，輸入電壓VIN電源對電感充電，此時二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流i1按照一定的比率線性增加，這個比率與電感量L大小有關，隨著電感電流增加，電感中儲存了大量能量。放電過程：當Lx開關驅動晶體管導通時截止時，由于電感的電流保持特性，流經電感的電流不會在瞬間變為0，而是緩慢的由充電完畢時的值變為0。而原來的通路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始以電流i2給電容CL充電，電容兩端電壓升高，此時電容電壓可達到高于輸入電壓的值VOUT。

2 系統功能測試

2.1 實測充電曲線

利用萬用表的電流檔和電壓檔對本文設計的充電器進行了性能測試，在陽光充足的條件下對容量為1 000 mAh的鋰電池充電，實測太陽能電池組開路電壓5.6 V，最大輸出電流532 mA。充電數據每5分鐘測量一次，選出有效樣本點繪制的實測曲線如圖6、7所示。從實測圖可以看出充電過程基本經歷了涓流預充電、恒流充電、恒壓充電直至充電終止的過程，和圖2的理論充電曲線基本吻合。

圖6 沖電電流隨時間變化曲線Fig.6 Charge current curve vs.time

2.2 升壓效率測試

通過測量鋰電池電極兩端和USB放電口的電壓電流可計算升壓電路的效率，測量的數據如表2所示。從結果可以看出，升壓效率基本保持在85%以上，滿足了高效放電輸出的需求。

3 結 論

本文設計制作的可折疊野外太陽能充電器具備穩壓調節電路，并具備鋰電池保護電路，具有輸出電壓穩定，使用安全可靠等特點，可廣泛應用于野外作業應急充電場合。

圖7 沖電電壓隨時間變化曲線Fig.7 Charge voltage curve vs.time

表2 升壓效率測試數據表Tab.2 Efficiency test result of boost

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