太陽能手機鋰電池充電器

馮強 吳秀祥 程浩 張遂愿 高巧梅

中國礦業(yè)大學 100083

太陽能手機鋰電池充電器

馮強1吳秀祥1程浩2張遂愿2高巧梅2

中國礦業(yè)大學 100083

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

Boost閉環(huán)；充電模塊；倍壓電路；太陽能電池板

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

引言

太陽能是地球上最直接，最普遍，最清潔的能源。太陽能作為一種巨大的可再生能源，每天到達地球表面的輻射量大約等于2.5億萬桶石油，可以說是取之不盡，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，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)計了一種利用Boost變換器作為控制電路，使太陽能電池板不受光照條件的影響而能有效給手機鋰電池充電的太陽能充電器。理念是方便快捷，設(shè)備體積攜帶方便，使用簡單，非常適合人們外出旅游等室外活動時使用。1.總體系統(tǒng)設(shè)計介紹

見圖1，系統(tǒng)由太陽能板、Boost變換器、Boost變換器控制芯片驅(qū)動電路、充電模塊、手機電池幾部分構(gòu)成。其中Boost變換器控制芯片驅(qū)動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)原理制成的太陽能電池板，在有光的條件下將光能轉(zhuǎn)化為電能。本設(shè)計利用4塊并聯(lián)的太陽能板，以使在光照較弱時也可產(chǎn)生足夠的功率進行充電。太陽能電池板在光照條件變化時輸出電壓會有1～4V的變化，經(jīng)過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電池充電。

圖 1 太陽能充電器的總體結(jié)構(gòu)圖

2 .Boost變化器閉環(huán)控制設(shè)計

2.1 Boost主電路參數(shù)計算

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）具體計算過程如下：

占空比D的計算：穩(wěn)定工作時，每個開關(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的計算：本設(shè)計參考了文獻[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，另外考慮輸入波動等其他方面影響取L=30uH。

電容值C的計算，本設(shè)計參考了文獻[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變換器上加負反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，另一方面也提高了動態(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來進行閉環(huán)控制。

TL2842具有下列特點：

工作電壓為16～30V，工作電流約15MA。芯片內(nèi)有一個頻率可設(shè)置的振蕩器；一個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；一個固定溫度補償?shù)幕鶞孰妷汉透咴鲆嬲`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脈沖限流控制的PWM比較器，最大占空比可達100%。另外，具有內(nèi)部保護功能，如滯后式欠壓鎖定、可控制的輸出死區(qū)時間等。

由TL2842設(shè)計的boost電路屬于電流型控制，電路中直接用誤差信號控制電感峰值電流，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；

電流型控制檢測電感電流和開關(guān)電流，并在逐個脈沖的基礎(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；

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

下面用PSIM對boost變換器進行仿真，電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2。

電路穩(wěn)壓過程由兩個閉環(huán)來控制:

閉環(huán)1—輸出電壓首先通過2個5K電阻分壓，為了減小控制電路對輸出電壓的影響，分壓后需要在反饋給誤差放大器的前級添加電壓跟隨器，通過這種高阻輸入的方法來達到既反饋電壓，又避免相互干擾的目的。反饋回來的電壓與TL2842內(nèi)部的2.5V基準電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓，誤差放大器控制由于負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)計方法參考了文獻[2]。

輸入電壓為固定直流電壓（1V）時，輸出電壓仿真波形如圖3;輸入電壓在15ms時從1V跳變?yōu)?V時，輸出電壓仿真波形如圖4?？梢姴ㄐ涡Ч遣诲e的，幾乎沒有超調(diào)量，能很快地達到穩(wěn)定。當電壓瞬間突變時，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。

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

4 .充電模塊

鋰離子電池,簡稱鋰電池,是近年來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)、自放電率低以及無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，但同時它也有一些致命的缺陷:對充電、放電的要求比較苛刻,不能過充和過放，否則容易造成不可逆轉(zhuǎn)性損壞，在短路、過充等極端情況下還有可能發(fā)生爆炸，產(chǎn)生危險。

要使設(shè)計的充電器對鋰電池具有較好的充電能力，就要令充電器在充電時按照鋰電池的充放電特性曲線來進行。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[4][5][6]。

為此使用MAX1551搭建的典型實用充電電路來實現(xiàn)這一目標如圖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。

實際電路充電電流波形如圖8。

5.結(jié)語

本文介紹了一種太陽能充電器的設(shè)計方法。因為有了Boost閉環(huán)電路的設(shè)計即使在太陽光照不太好的情況下，也可以使輸出端的電壓穩(wěn)定在5V，太陽能充電器也可以照常使用。

[1]Abraham I.Pressman 著. 王志強 譯.開關(guān)電源設(shè)計［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)計與實現(xiàn)［J］.廣西民族學院學報，2004.

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

中國礦業(yè)大學（北京）創(chuàng)新實驗計劃項目