多功能太陽能充電寶設計

北京信息科技大學，北京 100192

一、前言

隨著時代的發(fā)展，手機、數(shù)碼相機等電子產(chǎn)品被人們廣泛應用。人們對于電子產(chǎn)品的續(xù)航能力也有了更高的要求。目前，市場的便攜式充電產(chǎn)品，缺少安全規(guī)范，有很多不安全隱患，并且續(xù)航能力也有待提高。

針對這種情況，本文提出直流直充和太陽能充電并用的兩種方式的充電產(chǎn)品，可以有效的解決目前充電產(chǎn)品的安全性能和續(xù)航能力。

二、系統(tǒng)的硬件電路設計

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。硬件設計主要分為兩部分：基于ZS6288充電寶電源管理模塊和基于LT3652太陽能充電模塊。同時設計有電池保護電路，可以實現(xiàn)對電池的保護，延長電池的使用壽命。

充電寶電源管理模塊是整個設計的核心部分，可以實現(xiàn)通過常用直流電源接口的方式為電池充電、為電子產(chǎn)品充電、應急手電筒的功能[1]。充電寶的放電功能在該模塊，設計了兩個放電接口，放電電流分別為1A和2A，以實現(xiàn)為不同的電子設備充電的需求；另外，還設計了LED手電功能，可以實現(xiàn)在戶外時的臨時照明功能[2]。該模塊設計的充電方式為常用直流電源接口供電方式，可以實現(xiàn)在室內(nèi)時充電寶的電池續(xù)航。

太陽能充電模塊可以實現(xiàn)通過太陽能電池板為電池充電的功能，在光伏板降壓部分，實現(xiàn)最大功率跟蹤算法，用來提高光伏板發(fā)電效率，以實現(xiàn)戶外時充電寶的電池續(xù)航。

1、充電寶電源管理模塊設計

該模塊的設計方案是設計兩個放電接口，用來實現(xiàn)電子產(chǎn)品的兼容性，此次設計中電源管理芯片使用ZS6288，該芯片是一款集成了DC-DC升壓、輸出限流、電池充放電管理、電池電量顯示、LED手電筒功能、按鍵控制的電源管理芯片，外圍電路簡單，再配合相應的外圍電路即可實現(xiàn)對鋰電池的充放電管理，可以實現(xiàn)1A、2A兩個輸出電流的設計，效率比較高，價格比較合理，且調(diào)試簡單。

圖2是ZS6288電源管理電路原理圖。

在充電管理部分，接在芯片16腳SNS和15腳BAT之間的采樣電阻R的取值是關系到充電電流大小的關鍵因素，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的三段式充電，及涓流充電、恒流充電、恒壓充電。

放電管理部分，芯片5腳VIN用來檢測電源的電壓，當輸入電壓為3.3V以下時，認為電源適配器掉電，升壓系統(tǒng)可以工作。在系統(tǒng)進行升壓功能的時候，主要是經(jīng)過8腳CS來隨時檢測負載電流的大小，如果負載電流一直不斷上升，那么到達限流值的時候，輸出電壓就會下降，直到不再升壓，即負責升壓的MOS管關斷，同步整流 PMOS 打開。

保護功能部分，當電路中出現(xiàn)短路的情況或者輸入電壓超過6V時，14腳CTR輸出低電平，于是與之相連接的NMOS管關斷，從而關閉USB輸出。

電量顯示部分，通過管腳10～13連接的4個LED燈的亮滅來顯示電量。

手電筒功能，通過9腳連接的按鈕來控制手電筒的亮滅，當長按按鈕時，6腳WLED輸出高電平從而驅(qū)動NMOS管導通從而使LED燈亮起。

USB輸出部分，USB1與USB2的2腳和3腳并聯(lián)的電阻是為了實現(xiàn)自動識別電子產(chǎn)品的充電電流，從而達到限流不會燒壞電子產(chǎn)品而設置的。

2、太陽能充電模塊的設計

本設計LT3652 作為充電管理芯片。當LT3652由太陽能電池板供電時，輸入調(diào)節(jié)環(huán)路用于維持在峰值輸出功率的附近，使光伏電池板保持在最大峰值功率輸出點，效率高[3]。圖3所示為系統(tǒng)太陽能充電電路[4]。

引腳1-Vin作為電源輸入，為芯片工作以及充電功能模塊提供電源，輸入范圍是4.95V～34V；

引腳2-Vin_REG為輸入電壓調(diào)節(jié)參考，這通常用于為太陽能電池板的峰值功率跟蹤，即能根據(jù)輸入電壓的大小自動調(diào)整充電電流；

引腳6-TIMER為充電時間周期設置腳，如果基于定時器的充電需要，可以從這個引腳對地連接一個電容，進而進行控制；

引腳7-VFB為充電電壓環(huán)路檢測腳，基準電壓為3.3V；

引腳8-NTC電池溫度監(jiān)測端；

引腳9-BAT為充電輸出監(jiān)測腳；一旦充電循環(huán)被終止，BAT引腳的輸入偏置電流降至〈0.1μA，而充電器保持連接，以減少電池放電[6]；

引腳10-SENSE為充電電流檢測腳[7]，該腳和BAT腳之間固定電壓為0.1V；

引腳11-BOOST為升壓腳，為芯片內(nèi)部開關提供驅(qū)動；

引腳12-SW為開關輸出腳，切換輸出引腳；

引腳13-SGND，接地，需保證足夠的散熱。 焊接露出引線框架到PCB接地平面。

3、充電電池的選擇

鋰電池的工作電壓為3.7V，而鎳鎘、鎳氫電池的工作電壓只是鋰電池的三分之一[8]，而且相比于其他充電電池，鋰電池循環(huán)壽命較長，也沒有記憶功能，可以隨用隨充，而且鋰離子電池對環(huán)境污染很小，屬于環(huán)保電池。因此本設計的采用的是兩節(jié)18650鋰電池的并聯(lián)的方式。

4、電池保護電路的設計

充電寶的電池若過度放電，會造成的電壓過低；過度充電又會造成電壓過高，都會對電池的壽命造成影響，因此需要設計電池保護電路才防止過充、過放。此設計利用DW01芯片對其進行保護，該芯片擁有過度充電、過度放電以及短路、過流保護的功能。

電池保護電路原理圖如圖4所示。該模塊的保護電路主要由一個保護芯片DW01和兩個并聯(lián)的8205（N溝道增強MOSFET）。DW01主要是檢測MOS管的漏極和源極間的電壓[9]來實現(xiàn)過流保護。電路需要較大的工作電流，想要增大過流保護的值得時候，就可以通過減小MOS管的內(nèi)阻來實現(xiàn)[10]。通過并聯(lián)的方式可以減小MOS管的導通內(nèi)阻。

三、硬件電路實現(xiàn)

調(diào)試硬件電路，首先對電路通過多孔板和直插元器件進行搭建，看電路是否可以達到應有的功能。確認電路無誤后進行電路板的印刷，在焊接電路板之前應該檢查相應的印刷電路板得每條線是否都接對，用萬用表的二極管來檢測是否有誤接。在焊接ZS6288時，因為管腳小而密，所以焊接的時候要主要焊錫量的控制[11]，焊錫過多有可能導致管腳互相連接在一起，因此焊好后要用萬用表測試，保證管腳之間沒有連接。LT3652芯片背面有一個中央接地，因此在焊接的時候需要吹焊的方式進行焊接，接好后也需要注意測量各個管腳的狀態(tài)。而且電路所使用的元器件大多為貼片的，因此在焊接過程中每焊好一個元器件都要測試一下[12]，看看元件是否焊接完好，有沒有虛焊、短接，確保每個元器件的焊接都沒問題，這樣才能保證電路最后順利調(diào)試[13]。而且檢查電路的時候也會更加方便，即使電路出現(xiàn)問題，出問題的點也比較好盤查。

四、實驗

對本設計的兩部分模塊分別進行了實驗設計，充電寶電源管理部分進行了充放電實驗設計。對于太陽能充電模塊進行了充電實驗設計。通過實驗設計來檢驗模塊的功能是否實現(xiàn)。

將充電寶鋰電池電量放空（電池電壓為3.40V），太陽電池板放到室外，測試該模塊的電池充電能力，由于太陽能電池板的功率比較小以及受天氣的影響，根據(jù)不同天氣對太陽能充電模塊進行測試，但由于近期霧霾天氣因素影響，實驗數(shù)據(jù)單一，其相關數(shù)據(jù)如表1。對電源管理充放電部分也進行了相關充電實驗的記錄如表2所示。

表1 太陽能充電實驗數(shù)據(jù)表

表2 放電實驗數(shù)據(jù)表

五、結(jié)論

本設計的手機充電寶有兩種充電方式，既可以通過常用的直流電源進行充電也可以通過光伏能電池板對充電寶進行充電。太陽能充電功能不僅節(jié)能環(huán)保而且可以幫助外出人士進行應急使用。并且充電寶的放電部分也設計了兩個接口，1A的接口可以為手機等小電流設備充電，2A的接口可以實現(xiàn)為平板電腦等大電流的電子設備進行充電，實現(xiàn)兼容性。并且還配有應急手電筒，可以實現(xiàn)在戶外應急時使用。通過電路的設計與調(diào)試，可以實現(xiàn)上述功能。但是實驗過程中，受天氣因素影響，太陽能充電部分，效率較低，以后可以在光伏板參數(shù)選擇的方面加以改進，以提高太陽能充電效率。