新型能源多合一充電寶的設計與實現(xiàn)

蘭 萍，劉旭光，劉洪春，李 奧，史自才

（西藏大學 工學院 電子信息系，西藏 拉薩 850000）

新型能源多合一充電寶的設計與實現(xiàn)

蘭 萍，劉旭光，劉洪春，李 奧，史自才

（西藏大學 工學院 電子信息系，西藏 拉薩 850000）

針對充電寶的發(fā)展只停留在容量的現(xiàn)狀，新型充電寶的設計采用人體行走產生的機械能和自然界的太陽能作為兩個供能能源。LM7805穩(wěn)壓電路，F(xiàn)M6136電源管理IC電路作為整流穩(wěn)壓電路。在行走健身的同時輸出穩(wěn)定的5V能源，從而解決移動設備的能源續(xù)航問題。

機械能；太陽能；LM7805穩(wěn)壓；FM6136

目前霧霾嚴重、人類用電量急劇增加的時代，為了提倡節(jié)能環(huán)保、減少污染，保護環(huán)境，本設計作品充分借鑒人體力學、仿生學原理實現(xiàn)了生物能和太陽能轉化為電能供給手機等電子設備充電的功能。在突出傳統(tǒng)藏式設計的同時，做到的零污染、設計新型、節(jié)能環(huán)保的特點，重點解決了目前最普遍的手機等電子設備電量不足的問題。同時，也為新型能源發(fā)電的方向提供了一定的參考。

4）升壓模塊：FM6136電源控制IC把蓄電池內3.7 V電壓升壓到5 V輸出，一路供給照明和朵瑪尼彩燈，另一路輸出到USB充電口供給移動電子設備能源。

1　系統(tǒng)設計方案

1.1系統(tǒng)硬件設計

本文設計主要采可機械穿戴的減速電機作為機械能產生的能源。80mm*80mm的太陽能板作為太陽能供能能源，LM7805穩(wěn)壓電路作為穩(wěn)壓輸入，F(xiàn)M6136電源管理IC電路作為降壓升壓輸出端。本設計利用人體行走時大腿與小腿間產生的角度變化作為減速電機發(fā)電矢量值，配合太陽能電板組成能源輸入系統(tǒng)，利用7805和FM6136電源電路實現(xiàn)人體發(fā)電后續(xù)航供能。

1）電磁轉動模塊：由人體行走時大腿和小腿間角度的變化帶動減速電機的運轉產生交變的電流。

2）太陽能充電模塊：采集太陽能產生直流電流。

3）充電寶電路：FM6136電源控制IC和7805穩(wěn)壓電路作為充電寶電路把穩(wěn)定的4.2 V電壓保存在蓄電池內。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

1.2步行發(fā)電原理

當人體行走時大腿與小腿間會自然產生一個約45度的夾角，利用這一機械運動使其帶動減速電機運轉從而把源源不斷的生物能轉化為電能為電子設備充電。同時兼顧藏區(qū)太陽能充足的特點，配置四片太陽能充電板使其達到多能源充電的最優(yōu)化性能。

可行性分析：本次使用的減速電機為12 V、1 A、40轉/ min，其表示每分鐘轉動電機40圈時可以產生約10 V電壓和最大0.8 A的電流，而手機充電的規(guī)格一般為5 V、0.75 mA。這說明靠人體行走產生的電能足以滿足手機充電的可行性。

換句話說，主流手機配備2 000 mA的鋰電池輸出電壓4.2 V，可知其所需充電量為4.2 V×2 000 mA=8.4 W。而人正常行走時，由于轉速低的原因本次規(guī)格發(fā)電設備發(fā)12 W的電能最多需要轉動100圈。依人體正常行走時腿部每次彎曲30度，行走0.8米。設備轉動一圈需要360度即行走12次，100圈行走了120次。由S=1 200次×0.8米=960米可知人體行走960米就可產生12 W的電能（充滿2 000 MA的電池只需要8.4 W電能）。如果人體跑步運動時，設備在高速下產生的電能會更加客觀。

此外，在設備四個方向配備有4塊8 cm×8 cm太陽能發(fā)電板，平均功率可達到1 W，基本可滿足人體在靜止狀態(tài)時充電的需求。

1.3方案

當人體行走時大腿與小腿間會自然產生一個約45度的夾角，利用這一機械運動使其帶動減速電機運轉從而把源源不斷的生物能轉化為電能供給電子設備充電。同時兼顧藏區(qū)太陽能充足的特點，配置四片太陽能充電板使其達到最優(yōu)化的性能。

圖2是圖形分解解釋（原始圖形來自互聯(lián)網）：

圖2　步行圖

起步行走準備：大腿和小腿之間夾角為180度，如圖2（左）。

抬腳行走：大腿和小腿自然夾角30度，如圖2（中）。

跑步運動：大腿和小腿達到的最大角度為70度左右，如圖2（右）。這些角度的循環(huán)變化正是給設備提供了源源不斷的動力用來發(fā)電，供給手機電池。

1.4LM7805穩(wěn)壓電路

LM7805穩(wěn)壓電路的輸入端P2連接橋式整流電路使人體行走時產生的交流電整合成直流。C1電容起到濾波作用，C2電容防自激，P1端為穩(wěn)壓輸出端，這樣就利用LM7805完成了整流穩(wěn)壓的要求。

圖3　LM7805穩(wěn)壓電路

1.5FM6136充電寶管理IC

FM6316是一塊應用于移動電源，集成了鋰電池充電管理，DC-DC升壓及負載檢測功能于一體的便攜式電源管理IC。FM6316集成了包括涓流充電，恒流充電和恒壓充電全過程的充電方式，并含有充電過程及充電結束狀態(tài)指示燈；恒流充電電流通過外加電阻編程；系統(tǒng)在充電狀態(tài)下會關閉輸出放電路徑；綜合性能符合本設計各方面的需求。

參照FM6316芯片各管腳的功能，如典型應用電路所示紅色LED為充電進行指示，R1電阻為限流電阻。電池為經過升壓端輸出到VOUT端口，充電完成時STDBY端拉低，充電未完成時CHRG端拉低。LX引腳為功率開關輸出端，VOUT端口輸出時，D1燈點亮。PROG引腳為充電電流調整端口。BAT為鋰電池，這樣就構成了典型的FM6316充放電電池管理IC電路。

圖4　典型應用電路

綜合各功能電路，組構成本設計所需充電放電電路。

其中P2端連接減速電機設計輸出端，P1和太陽能發(fā)電板接J1端，B+接B+，B-接B-，D+接D+，D-接D-。OUT端口輸出測試電壓端。

1）測試結果

本設計充放電模塊利用太陽能和人體行走產生的能源作為系統(tǒng)輸入的能源，系統(tǒng)經過整流濾波穩(wěn)壓實現(xiàn)對鋰電池4.3V充電，同時鋰電池4.3V經過升壓電路5V輸出到輸出端。達到電壓標準輸入輸出的功能。減速電機的機械運動模塊，本設計采用了穿戴式的設計，目的是使使用者的疲勞感將至最低。綜上試驗，系統(tǒng)可以滿足使用者對于充電寶的續(xù)航能力的要求，使充電更加人性化，也到達了用戶的健身目的。

圖5　總體電路

2）整體實物圖

本設計采用了可穿戴的輕型機械設計，以減速電機和太陽能電板作為整個系統(tǒng)的原始發(fā)電電源，以常用的LM7805穩(wěn)壓電路、橋式整流電路、典型FM6136電源管理IC設計達到交流電AC-直流DC后穩(wěn)壓整流輸入，再升壓輸出的目的。實現(xiàn)了新型能源多合一充電寶的設計。整體實物圖如圖6所示。

圖6　整體實物圖

2　結束語

本文結合常用的LM7805穩(wěn)壓電路和橋式整流電路，作為整流穩(wěn)壓模塊，常見FM6136電源管理IC模塊實現(xiàn)充電穩(wěn)壓升壓的電路設計，穿戴式的整體設計使使用人性化，個性化。本文的設計可以在很大程度上提高充電寶的使用續(xù)航能力，也可以為新型能源個人使用化做一個參考方向。

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The design and achievement of new energy-one power bank

LAN Ping，LIU Xu-guang，LIU Hong-chun，LI Ao，SHI Zi-cai
（Department of Electronic and Information，School of Engineer，Tibet University，Lhasa 850000，China）

The development of power Bank only stays in the capacity.This design uses the mechanical energy produced by human walking and solar energy of nature as two energy to supply energy.LM7805 voltage regulator circuit and FM6136 Power Management IC circuit are rectifier and voltage stabilizing circuit.Fitness walking is achieved，and it outputs 5v.At the same time，the battery life of energy problem of the mobile device is also solved.

mechanical energy；solar energy；LM7805 regulator；FM6136

TN43

A

1674－6236（2016）16-0146-03

2015-10-25稿件編號：201510174

西藏自治區(qū)2014年大學生創(chuàng)新性實驗訓練項目（2014QCX045）

蘭 萍（1981—），女，四川內江人，碩士，講師。研究方向：射頻集成電路，通信與信息系統(tǒng)。