便攜式太陽能手機充電器設計

莊瓊云

摘 要：文中設計了一款基于單片機控制的便攜式太陽能手機充電器。主電路中的DC/DC變換電路采用BUCK電路的開關驅動電路，控制部分基于STC12C5A60S2單片機來實現太陽能電池的最大功率點跟蹤（MPPT），從而實現對手機電池的充放電控制。

關鍵詞：太陽能電池；充電器；BUCK電路；STC12C5A60S2；MPPT

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

隨著傳統能源的逐漸枯竭及其所帶來的環境污染問題日趨嚴重，致使人們越來越關注具有取之不盡、用之不竭特點的可再生能源——太陽能。近年來，太陽能光伏電池可以直接將太陽能轉化為電能，成為當下學術界和產業界的新寵。隨著開發的不斷深入，各種太陽能電池產品進入了人們的日常生活。手機作為人們日常生活中必不可少的便攜式電子產品，對蓄電能力的要求越來越高，這將促使太陽能光伏電池這一便攜式可隨時隨地充電的裝置成為手機的最佳拍檔。

本文設計了一款便攜式太陽能手機充電器，主電路部分基于BUCK電路的開關驅動電路，控制系統的核心部分是單片機控制部分，該部分主要以STC12C5A60S2為核心完成對系統的控制，并追蹤太陽能電池的最大功率點輸出。

1 太陽能光伏發電原理

太陽能光伏發電利用半導體PN結的光生伏特效應將太陽光能直接轉換成電能。PN結吸收太陽光能在空間電荷區生成非平衡狀態下的電子-空穴對，在內建電場的作用下，電子和空穴被電場分離，過剩的電子積累在N區中，過剩的空穴積累在P區中，在PN結兩側就形成了光生電動勢，其方向與空間電荷區電場相反，這就是“光生伏特效應”。其示意圖如圖1中的插入圖所示。當PN結兩側外接負載時可對外供電，其輸出功率受外部環境光照強度影響，光照強度越大，輸出功率隨之增大，其輸出功率與輸出電壓的關系（P-V）曲線以及與光照強度的關系如圖1所示。該P-V曲線可視為一個二次函數，每一個光照強度下都有一個極值，極值點處的功率值即光伏電池的最大功率輸出，稱為最大功率點（Maximum Power Point，MPP）。通過控制算法調控當前太陽能電池最大功率輸出與當前阻抗，使電池始終工作在最大功率點附近，這個過程稱為最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。通過最大功率跟蹤技術使太陽能電池的輸出功率維持在最大功率點附近，以有效提高系統的效率。

2 系統總體設計方案

2.1 電路的選擇

在太陽能光伏發電系統中，太陽能光伏電池和負載的適配器通常利用DC/DC變換電路來實現，主要起如下作用：

（1）跟蹤系統最大功率點，使系統工作在光伏電池的最大功率點處；

（2）為手機鋰電池充電。

當前最大功率跟蹤控制器使用的DC/DC變換電路最常用的三種[1]分別為降壓型（BUCK）變化電路，升壓型（BOOST）變換器和升-降壓型（BUCK-BOOST）變化電路。

BUCK變換器屬于最基本的DC/DC變換器，其優點是電路簡單、動態性能好，缺點是工作在斷續狀態下，需要外加儲能電容才能實現在連續狀態下工作。光伏電池在功率開關斷開時對儲能電容充電，使光伏電池始終處在發電工作狀態，如此通過脈沖寬度調制（PMW）來控制太陽能光伏電池的輸出電壓，從而使系統處在光伏電池的最大功率處，以實現系統的最大功率的追蹤控制[2]。

BOOST變換器相比BUCK變換器結構簡單，其功率開關管一端接地，驅動電路也比較簡單方便。且BOOST變換器可以始終在電流連續的狀態下工作，只要較大電感輸入忽略電感上的紋波。缺點是BOOST變換器較低的輸入電壓會導致輸入電流較大，線路損耗過大。

BUCK-BOOST變換器結合上述兩種變換器的部分優點，既可以升壓也可以降壓。但其輸入輸出電流都有脈動，電磁干擾大且輸出紋波較大，因此需要加入濾波網絡，不僅使電路更加復雜還增大了損耗。另外BUSK-BOOST變換器的功率開關管不接地，驅動電路也比較復雜[1]。

上述三種DC/DC變換電路在工作中存在兩種導電模式，分別為電感電流連續（CCM）模式和電感電流不連續（DCM）模式。由于該款充電器是為手機上的鋰離子電池充電，太陽能電池的輸出電壓要高于充電電壓，因此我們選用BUCK變換器作為最大功率點追蹤控制器。圖2所示為BUCK電路的原理圖，由開關管S，電感L，續流二極管D，儲能電容C及負載R構成。通過分析電路原理[3]可推導出在CCM模式下輸出電壓和輸入電壓的關系：V0=Vi×q；q為功率開關管的控制占空比，由該推導公式可知，通過控制占空比可控制輸出電壓。

輸入端的C1為大濾波電容，可以降低系統電路中的脈動電流幅值。L1為儲能電感，同時具有平波作用。D1為續流二極管，C2為輸出濾波電容，可進一步降低輸出電壓的紋波。具體參數設定如下：

（1）電感設計：使電路處在CCM模式下，通過分析BUCK電路可以得到：。通過電路的各個參數可以得出臨界電感值為LMAX=0.25 mh。

（2）輸入的濾波電容：47 μF/250 V和2.2 μF/250 V的電容并聯，用以濾除高頻干擾和儲能。

（3）輸出的濾波電容的選擇：通過對BUCK電路的分析得到公式：。由此求出C2=125 μF，通過實際實驗發現，使用100 μF的電容效果更好，因此采用100 μF的電容作為輸出端的濾波電容。

（4）功率開關管和續流二極管：MOS管作為開關管具有開關速度快，損耗小等優點，故采用IR360作為電路的功率開關管。由于BUCK電路的開關速度較快，于是便采用FR203二極管作為續流二極管。

（5）電壓檢測電路：采用電阻分壓后由STC12C5A60S2單片機[4]的AD模塊采集電壓得到輸出的電壓值。由于單片機的采集電壓不可超過5 V，因此使用兩個相同的電阻把輸出電壓降低一半來采集處理。

（6）電流檢測電路：我們采用采樣電阻采集電壓的方法來檢測電流。使通過RS電流檢測電阻的電壓通過AD8210電流檢測芯片，輸出一個電壓值由單片機自帶AD模塊檢測電壓，從而獲取電流值。

（7）驅動電路的設計：采用光耦驅動的方式來驅動功率開關管。

根據上述分析與設計，所示為太陽能光伏手機充電器系統的總電路圖，包含了BUCK變換器、STC12C5A60S2單片機控制電路、AD8210電流檢測電路和穩壓輸出電路。該設計的手機充電器輸出電壓設定在5.2 V，最大電流不超過1 A。

2.3 最大功率點的追蹤

根據圖1所示的太陽能電池板的P-V曲線可以看出，在曲線中存在一個最高點，即太陽能電池板的最大功率點Pmax，P（V）與P（V+△V）的差值為△P= P（V+△V）-P（V），其中P（V）和P（V+△V）分別代表光伏電池的輸出功率在輸出電壓V和增加一個△V增量后的值；在最大功率點左側，△P >0；而在最大功率點右側，△P<0。利用以上特性，通過擾動太陽能電池板的輸出電壓來實現最大功率點跟蹤的控制策略稱之為擾動觀察法[5]。擾動觀察法利用步進搜索的思路，從初始狀態開始，每次對輸入信號增加或減少一個有限變量，然后測量由于輸入信號變化引起的輸出變化的大小及方向，確定方向后按需調節被控對象的輸入，實現最大功率輸出點的跟蹤與控制。

本設計采用擾動觀察法實現太陽能電池板最大功率點的跟蹤，其流程圖如圖5所示。對單片機AD模塊采集的電壓值與AD8210電流檢測芯片得到的電流值相乘獲得當前輸出電壓下的功率P（V），通過減小或增大PWM（即改變PWM來改變占空比，從而調整當前太陽能電池板輸出的電壓）來對輸出電壓增加△V，從而檢測出輸出電壓為V+△V時的功率值P（V+△V），比較電壓增加前后的功率值的差值得到當前的△P值，比較電壓增加前后的PWM的差值得到當前的△PMW值。

輸出功率與光照強度近似線性關系，這與太陽能電池板的最大功率與光照強度的關系基本一致，說明基于擾動觀察法調節PWM可追蹤到太陽能電池板的最大功率點輸出。而電壓輸出基本可穩定在5.2 V左右，如圖7所示，說明基于STC12C5A60S2的BUCK電路實現了太陽能電池的穩壓輸出。由以上分析可知，提高太陽能手機充電器的工作效率，加快完成充電過程，需滿足以下兩個條件：

（1）增加太陽能電池接收的光照強度；

（2）太陽能電池要始終工作在最大功率輸出點附近。經過測試及分析，本文設計的便攜式太陽能手機充電器運行狀態良好，能較好地實現本設計意圖。

4 結 語

本文采用BUCK電路的開關驅動電路實現便攜式太陽能手機充電器中的DC/DC變換。基于STC12C5A60S2單片機，通過調節PWM來擾動輸出電壓，使太陽能電池在不同光照強度下始終工作在最大功率點附近，且工作電壓穩定在5.2 V左右，實現穩定、高效的手機電池太陽能充電控制。

參考文獻

[1]徐義鑫.小功率光伏供電系統及最大功率點跟蹤控制研究[D].秦皇島：燕山大學，2011.

[2]林倩，胡耀武，胡麗冰，等.基于51單片機的電動車手機充電器設計[J]. 物聯網技術，2013，3（2）：44-45.

[3]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4]張毅剛.單片機原理及應用[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[5]史文華.光伏系統最大功率點跟蹤控制方法研究[D].北京：華北電力大學，2012.