馮強(qiáng) 吳秀祥 程浩 張遂愿 高巧梅

中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 100083

太陽(yáng)能手機(jī)鋰電池充電器

馮強(qiáng)1吳秀祥1程浩2張遂愿2高巧梅2

中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 100083

本文介紹了一種將太陽(yáng)能作為能源給手機(jī)鋰電池充電的工作原理，設(shè)計(jì)思想，和理論計(jì)算方法。

Boost閉環(huán)；充電模塊；倍壓電路；太陽(yáng)能電池板

Boost closed-loop; charging module; voltage double circuit; solar panels

引言

太陽(yáng)能是地球上最直接，最普遍，最清潔的能源。太陽(yáng)能作為一種巨大的可再生能源，每天到達(dá)地球表面的輻射量大約等于2.5億萬(wàn)桶石油，可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。

在如今數(shù)碼產(chǎn)品功能日益完善的情況下，各種數(shù)碼產(chǎn)品比如手機(jī)，平板電腦等產(chǎn)品的電池供電以及續(xù)航能力并不能滿足人們的需求。因此本文設(shè)計(jì)了一種利用Boost變換器作為控制電路，使太陽(yáng)能電池板不受光照條件的影響而能有效給手機(jī)鋰電池充電的太陽(yáng)能充電器。理念是方便快捷，設(shè)備體積攜帶方便，使用簡(jiǎn)單，非常適合人們外出旅游等室外活動(dòng)時(shí)使用。1.總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

見(jiàn)圖1，系統(tǒng)由太陽(yáng)能板、Boost變換器、Boost變換器控制芯片驅(qū)動(dòng)電路、充電模塊、手機(jī)電池幾部分構(gòu)成。其中Boost變換器控制芯片驅(qū)動(dòng)電路是由倍壓電路和一節(jié)5V電池構(gòu)成。

系統(tǒng)工作原理是利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池板，在有光的條件下將光能轉(zhuǎn)化為電能。本設(shè)計(jì)利用4塊并聯(lián)的太陽(yáng)能板，以使在光照較弱時(shí)也可產(chǎn)生足夠的功率進(jìn)行充電。太陽(yáng)能電池板在光照條件變化時(shí)輸出電壓會(huì)有1～4V的變化，經(jīng)過(guò)Boost變換器將電壓升壓并穩(wěn)定到5V，經(jīng)由充電模塊按照充電曲線安全有效的給手機(jī)電池充電。

圖 1 太陽(yáng)能充電器的總體結(jié)構(gòu)圖

2 .Boost變化器閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

2.1 Boost主電路參數(shù)計(jì)算

表 1 Boost電路主要工作參數(shù)表

主電路參數(shù)（占空比，電感，電容）具體計(jì)算過(guò)程如下：

占空比D的計(jì)算：穩(wěn)定工作時(shí)，每個(gè)開關(guān)周期導(dǎo)通期間電感電流的增加等于關(guān)斷期間電感電流的減少，即：

將Vi、Vd以及Vo等參數(shù)帶入公式（1）和公式（2），得D=0.835。

電感量L的計(jì)算：本設(shè)計(jì)參考了文獻(xiàn)[1]有：

將Vi、f、D以及Io等參數(shù)帶入公式（3）得，L=25uH。由于增加電感量可以減小磁滯損耗，另外考慮輸入波動(dòng)等其他方面影響取L=30uH。

電容值C的計(jì)算，本設(shè)計(jì)參考了文獻(xiàn)[1]，且電容選擇為陶瓷電容，故 ESR可以忽略

將Io、D、f以及Vpp等參數(shù)帶入公式（4），得C=20uF。

2.2 Boost變換器閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)與仿真

考慮到boost電路要能穩(wěn)定地輸出5V電壓，故必須在boost變換器上加負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，另一方面也提高了動(dòng)態(tài)性能。開關(guān)電源的主要控制方法有電壓型控制和電流型控制方法，本文在綜合考慮了兩者的特點(diǎn)后，引入電感電流作為反饋量，并使用電流型閉環(huán)控制芯片TL2842來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制。

TL2842具有下列特點(diǎn)：

工作電壓為16～30V，工作電流約15MA。芯片內(nèi)有一個(gè)頻率可設(shè)置的振蕩器；一個(gè)能夠源出和吸入大電流的圖騰式輸出結(jié)構(gòu)，特別適用于MOSFET的驅(qū)動(dòng)；一個(gè)固定溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓和高增益誤差放大器、電流傳感器；具有鎖存功能的邏輯電路和能提供逐個(gè)脈沖限流控制的PWM比較器，最大占空比可達(dá)100%。另外，具有內(nèi)部保護(hù)功能，如滯后式欠壓鎖定、可控制的輸出死區(qū)時(shí)間等。

由TL2842設(shè)計(jì)的boost電路屬于電流型控制，電路中直接用誤差信號(hào)控制電感峰值電流，然后間接地控制PWM脈沖寬度。

這種電流型控制電路的主要特點(diǎn)是:

輸入電壓的變化引起電感電流斜坡的變化，電感電流自動(dòng)調(diào)整而不需要誤差放大器輸出變化，改善了瞬態(tài)電壓調(diào)整率；

電流型控制檢測(cè)電感電流和開關(guān)電流，并在逐個(gè)脈沖的基礎(chǔ)上同誤差放大器的輸出比較，控制PWM脈寬，由于電感電流隨誤差信號(hào)的變化而變化，從而更容易設(shè)置控制環(huán)路，改善了線性調(diào)整率；

簡(jiǎn)化了限流電路，在保證電源工作可靠性的同時(shí)，電流限制使電感和開關(guān)管更有效地工作。

下面用PSIM對(duì)boost變換器進(jìn)行仿真，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

電路穩(wěn)壓過(guò)程由兩個(gè)閉環(huán)來(lái)控制:

閉環(huán)1—輸出電壓首先通過(guò)2個(gè)5K電阻分壓，為了減小控制電路對(duì)輸出電壓的影響，分壓后需要在反饋給誤差放大器的前級(jí)添加電壓跟隨器，通過(guò)這種高阻輸入的方法來(lái)達(dá)到既反饋電壓，又避免相互干擾的目的。反饋回來(lái)的電壓與TL2842內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓，誤差放大器控制由于負(fù)載變化造成的輸出電壓的變化。

閉環(huán)2—Rs為開關(guān)管源極到公共端間的電流檢測(cè)電阻，開關(guān)管導(dǎo)通期間流經(jīng)電感L的電流在Rs上產(chǎn)生的電壓送至PWM比較器同相輸入端，與誤差電壓進(jìn)行比較后控制調(diào)制脈沖的脈寬，從而保持穩(wěn)定的輸出電壓。Boost變換器閉環(huán)控制設(shè)計(jì)方法參考了文獻(xiàn)[2]。

輸入電壓為固定直流電壓（1V）時(shí)，輸出電壓仿真波形如圖3;輸入電壓在15ms時(shí)從1V跳變?yōu)?V時(shí)，輸出電壓仿真波形如圖4。可見(jiàn)波形效果是不錯(cuò)的，幾乎沒(méi)有超調(diào)量，能很快地達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)電壓瞬間突變時(shí)，輸出電壓幾乎不變，從而能夠保證充電器在光照條件突然改變時(shí)能繼續(xù)正常工作。

3 .通用倍壓電路

為了給boost閉環(huán)控制芯片TL2842提供16V--30V的工作電壓，所以設(shè)計(jì)了直流倍壓電路如圖5。

該直流倍壓電路的工作原理是：通過(guò)非門以及R、C構(gòu)成振蕩器，交替的給電容充電，因而把電壓升上去。倍壓電路的實(shí)質(zhì)是采用了電荷泵技術(shù)，因此帶載能力很差，輸出稍大一些的電流都會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的較大幅度的跌落，因此倍壓電路只適合做電壓源而不宜用做電流源。

當(dāng)輸入為5V時(shí)，不接負(fù)載時(shí)輸出電壓為20V，輸出端加10k負(fù)載時(shí)輸出電壓降為18V，足以作為TL2842的工作電壓（16V～30V）。

4 .充電模塊

鋰離子電池,簡(jiǎn)稱鋰電池,是近年來(lái)逐漸普及使用的一種新型電池。具有體積小、重量輕、容量大(能量密度高)、自放電率低以及無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也有一些致命的缺陷:對(duì)充電、放電的要求比較苛刻,不能過(guò)充和過(guò)放，否則容易造成不可逆轉(zhuǎn)性損壞，在短路、過(guò)充等極端情況下還有可能發(fā)生爆炸，產(chǎn)生危險(xiǎn)。

要使設(shè)計(jì)的充電器對(duì)鋰電池具有較好的充電能力，就要令充電器在充電時(shí)按照鋰電池的充放電特性曲線來(lái)進(jìn)行。只有這樣才能最大程度的提高鋰電池的性能和壽命。MAX1551的選擇參考了文獻(xiàn)[4][5][6]。

為此使用MAX1551搭建的典型實(shí)用充電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)如圖6。

boost閉環(huán)電路的輸出電壓接至“AC ADAPTER”處，鋰離子電池接入圖中“Li”處，理想充電電流波形如圖7。

實(shí)際電路充電電流波形如圖8。

5.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)方法。因?yàn)橛辛薆oost閉環(huán)電路的設(shè)計(jì)即使在太陽(yáng)光照不太好的情況下，也可以使輸出端的電壓穩(wěn)定在5V，太陽(yáng)能充電器也可以照常使用。

[1]Abraham I.Pressman 著. 王志強(qiáng) 譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]張衛(wèi)平.開關(guān)變換器的建模與控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[3]TL2842 CURRENT-MODE PWM CONTROLLERS. TEXAS INSTRUMENTS. 1989

[4]李映超.基于USB接口的鋰離子電池充電電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.廣西民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2004.

[5]劉銀.鋰電池智能充電器IC芯片的設(shè)計(jì)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

[6]MAX5001 USB/AC Adapter Battery Chargers. Maxim Integrated Products. 2003

This article introduces the principle, design thought of one kind of solar energy charger for lithium battery in mobile phone.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.088

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目