太陽能充電90 W移動電源

鄭永翀，秦會斌

(杭州電子科技大學新型材料與器件研究所，浙江杭州310018)

太陽能充電90 W移動電源

鄭永翀，秦會斌

(杭州電子科技大學新型材料與器件研究所，浙江杭州310018)

目前，市場流行的小功率移動電源已無法滿足，如筆記本等大功率數碼產品的供電需求，同時單一的充電方式使得移動電源的續航能力得不到保障。根據市場需求分析，提出一款可以使用適配器、太陽電池、車載電池充電的充電方式以及輸出功率多樣化，且性能安全可靠的移動電源。其主要包括太陽能充電、20 V輸出、12 V輸出、5 V輸出、電量顯示電路以及保護等電路模塊。

移動電源;太陽能充電;升壓;90 W

隨著經濟發展和生活水平的提高，人們手中的數碼產品不斷增加，移動電源與人們的生活產生了密不可分的關系，因此移動電源將會走向飛速發展的時代[1]。但是移動電源的發展過快也存在一些問題：(1)充電方式單一，目前市場上的移動電源基本上是用市電充電；(2)安全性能不夠完善，沒有國家標準規范；(3)通用性差，移動電源的輸出功率和便攜式電子產品的輸入功率不匹配[2]。目前市場上的移動電源輸出電壓為5 V，輸出電流為1 A到2 A，這只能滿足一些小功率電子產品，無法滿足筆記本等大功率數碼產品的使用。本文旨在提出一款充電方式以及輸出功率多樣化，且性能安全可靠的移動電源方案。

1 移動電源總體構架

整個系統主要由充電模塊、電池模塊、輸出模塊三部分組成。充電模塊主要包括太陽電池板[3]和充電電路，既可以用太陽能充電，也可以用車載電源充電，還可以使用市電充電，解決了適應于不同場合的充電問題；電芯選用聚合物鋰電池組合而成；輸出模塊主要包括給筆記本充電的升壓模塊(最大功率達90 W)，給手機充電的降壓模塊以及鋰電池組直接輸出模塊。電路中還實現了欠過壓保護、溫度保護、短路保護等整個系統的設計框圖,如圖1所示。

圖1 系統整體設計框圖

2 電路設計

2.1 太陽能充電模塊設計

太陽能充電電路通過一個經典的Buck電路實現，由Q1、D2、L1、C5組成。開關導通時，輸入端電源經過開關Q1把部分能量存入電感L1，其余的能量傳遞到了輸出端為負載提供能量。由于此時電感中有電流流過，故兩端會有一個電壓，從而達到了降壓的目的。開關Q1關斷時，輸入端電源將不再給電路提供能量，此時電路中的能量由電感提供，二極管D1正向導通，將能量傳遞給輸出端。此處電容C5為負載提供了一個穩定的電壓,如圖2所示。

控制電路由電池管理芯片CN3705實現。CN3705是一款PWM降壓模式的充電管理芯片，輸入電壓范圍7.5～28 V，充電電流最高可達5 A，PWM開關頻率為300 kHz，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優點[4]。它具有涓流、恒流和恒壓充電模式。在恒壓充電模式，恒壓充電電壓通過2個電阻對充電電壓進行分壓，設定其分壓比值達到理想的電壓值。電池端對應的電壓關系式為：

圖2 充電原理圖

在恒流充電模式中，充電電流通過在回路中接一個較小的電阻，通過計算電阻值來設定：

在涓流充電模式中，用恒流充電15%的電流進行充電，其開啟條件為電池電壓低于設定恒壓值的66.7%。當充電結束以后，如果沒有拔掉充電器，由于電池自放電等其他因數，電池兩端的電壓將會緩慢下降，影響電池的用量。故此時將對電池電壓繼續采樣，當其降低到所設置恒壓充電值的91.1%時，即當電池電壓降到11.48 V時，將開始新的充電周期，這樣可以保證電池的飽滿度在80%以上。該電路不僅可以用太陽電池板充電，還可以用適配器或者車載電池充電，輸入電壓范圍為15～24 V。

2.2 升壓模塊設計

選用UC3843作為DC-DC升壓的主控制芯片。UC3843是一款高性能的固定頻率電流模式控制器，專為DC-DC直流變換器應用而設計，低壓鎖定門限為8.5 V(通)和7.6 V(斷)。UC3843屬于單端“圖騰柱”輸出，最大輸出電流可高達1 A，能直接驅動MOSFET，能進行精確的占空比控制。芯片還具有輸入和參考欠壓鎖定、自動前饋補償、逐周電流限制、低工作電流等特點。UC3843最大工作頻率為500 kHz，最大占空比可高達96%。由于其具有性能好、成本低、外圍電路設計簡單等優點，受到廣大設計者的青睞，其特別適用于輸出功率在100 W以下的小功率開關電源[5]。

圖3為升壓原理圖。其中鋰電池組、L3、D5、Q4、C16構成一個經典的Boost升壓電路，開關管Q4導通時，輸入端鋰電池組為電感L3提供能量，此時輸入端與輸出端斷開，負載端的能量由電容C16提供。開關管Q4斷開時，電感L3儲存的能量與輸入端電源共同為負載提供能量[6]。此時電感兩端有一個壓差，其極性與電源電壓一致，故能達到升壓的目的。電容兩端的電壓不能突變，此處電容為負載提供了一個穩定的電壓[7]。芯片UC3843通過輸出端分壓反饋回來的信號調節開關管Q4的占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的。其開關頻率由R22和C25設定，計算公式為：

圖3 升壓原理圖

芯片3腳接電流反饋信號，T1為電流互感器，當電路中電流過大時，芯片自動關閉達到過流保護的目的。升壓電路作為本設計的主要部分，主要為筆記本供電，輸出電壓20 V，最大電流達4.5 A。

2.3 降壓模塊設計

降壓設計芯片選用LM2576T-5.0，具有十分優良的電壓調整率以及負載調整率。其輸出電壓容差為±4%，內置兩級過流保護以及過熱保護電路。芯片外圍電路設計主要包括濾波電容、儲能電感、二極管等，如圖4所示。

圖4 降壓原理圖

以固定的52 kHz頻率對NPN開關管進行開啟和關斷操作。當開關管導通時，電源對電感充電，電感儲存能量，電流以線性方式上升。當開關管關斷時，電源與電感回路斷開，電感形成反向的感應電壓，二極管正向導通，電感將釋放能量為負載供電。當輸出電壓改變時，反饋電壓也發生改變，通過與芯片內部的基準電壓進行比較，將誤差信號放大后，再與振蕩器進行比較。通過改變PWM的占空比，調整開關管的導通狀態，從而得到一個穩定連續的輸出電壓，主要為小功率數碼產品供電，輸出5 V，最大電流2.1 A。

2.4 保護與顯示電路設計

為了更有效地對移動電源進行控制，從而使其在安全性能，用戶體驗等方面得到提高，故在其充放電過程中都用單片機進行控制。在這一過程中，單片機主要起到電路保護和電量顯示的作用。在發熱元件附近放入NTC，實時監控整個電路的溫度，當其達到設計的最高溫度時斷開電路；對電池組電壓進行分壓采樣，當電壓小于或大于設定值時，斷開電源。其采樣電路如圖5所示。

圖5 采樣原理圖

3 軟件設計

系統軟件設計主要包括電量顯示和電量保護。電路保護主要有欠壓保護和過壓保護。首先通過PIC16單片機采集電池兩端的電壓信號來確定電壓是否正常。若電壓低于8.5 V或者高于12.8 V，單片機6腳輸出高電平，MOS管導通，繼電器吸合，斷開主電路。

電量顯示通過單片機控制一組LED實現。4個LED全亮，表示此時電池電量大于75%；點亮3個LED，表示此時電池電量在50%～75%之間；點亮2個LED，表示此時電池電量在25%～50%之間；點亮1個LED，表示此時電池電量在0%～25%之間，用戶應及時對電池進行充電。其過程主要通過軟件實現，流程圖如圖6。

圖6 軟件流程圖

4 總結

將移動電源的多種充電方式和多種放電方式集成于一體，提高了產品的通用性。經過硬件實現測出充電效率約90%。較大的功率輸出和較高的轉換效率可以使其滿足消費者從手機、MP3、相機等到PAD、筆記本電腦、LED照明等用電器移動用電需求，20 V/4.5 A的轉換效率約90%。完善了移動電源所需要的各種保護功能，使該產品性能更加安全穩定。該移動電源尤其適用于戶外或野外工作者，具有一定的技術優勢和市場前景。

[1]丁成功,王升鴻.便攜式移動電源的研究與設計[J].伺服控制,2013(4):67-69.

[2]孫建昆.移動電源的新發展[J].互聯網周刊,2011(7):66-67.

[3]陸維德.太陽能利用技術發展趨勢評述[J].世界科技研究與發展,2007(1):95-99.

[4]張京,張根燦.基于CN3705和LM2596的鋰電池充放電系統[J].電子技術與軟件工程,2013(17):167-168.

[5]朱曉曲.基于UC3842的多端反激式開關電源的設計與實現[D].湖南:湖南大學，2013:66.

[6]LI Y M,LAI X Q,CHEN F J,et al.An adaptive slope compensation circuit for Buck DC-DC converter[C]//Proceedings of ASICON'07.Guilin:ASICON'07,2007.

[7]李正鵬,何希才.新型開關電源設計與應用[M].北京:科學出版社,2001:65-79.

Solar charging of 90 W mobile power supply

ZHENG Yong-chong,QIN Hui-bin
(Institute of New Materials and Devices,Hangzhou Electronic Science and Technology University,Hangzhou Zhejiang 310018,China)

Nowadays, the existing low power mobile power can't be able to meet the need when used in the high-power power supply such as notebook.Meanwhile the single charging way can't guarantee cruising power of mobile power supply.According to the market demand analysis,a diversified charging ways of mobile power supply was proposed,which could use adapter,solar battery and car battery charging mode with reliable performance and safety.The system mainly consisted of five circuit modules,namely solar charging,three different output channels with 20,12,5 V,the remaining capacity display circuit and system protection circuit.

mobile power supply;solar battery charging;Booster;90 W

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1028-03

2016-12-15

鄭永翀（1990—），男，浙江省人，碩士研究生，主要研究方向為開關電源。