基于鋰電池的太陽能燈與移動電源系統(tǒng)設(shè)計

陶俊豪++張志鳴++王殿程

摘 要： 為了實現(xiàn)野外照明和USB充電的需求，提出了一種基于鋰電池的太陽能燈和移動電源系統(tǒng)的設(shè)計方案，分別給出了總體方案和詳細(xì)設(shè)計方案，并完成了系統(tǒng)的電路設(shè)計和測試。系統(tǒng)包含四個模塊電路：太陽能充電模塊、USB接口充電模塊、高亮度LED驅(qū)動模塊以及USB接口供電輸出模塊，除USB接口充電模塊使用線性電源芯片外，其他模塊均采用開關(guān)電源芯片設(shè)計，以提高效率，縮小體積。系統(tǒng)通過了實際的硬件測試，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作正常、輸出準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計要求，可以推廣使用。

關(guān)鍵詞： 太陽能燈； 鋰電池； 移動電源； USB充電； USB供電

中圖分類號： TN302?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0160?03

Design of solar lamp and portable charger system based on Li battery

TAO Jun?hao， ZHANG Zhi?ming， WANG Dian?cheng

（Unit 63801 of Chinese People′s Liberation Army， Xichang 615042， China）

Abstract： In order to realize the outdoor lighting and USB charging requirements， a design scheme of solar lamps and portable charger based on lithium batteries is presented in this paper. The overall plan and the detailed design scheme are put forward. The circuit design and system testing are completed. The system consists of four modules： solar charging module， USB interface charging module， high brightness LED driver module and power supply outputting module through USB interface. In addition to the USB interface charging module using linear power chip， other modules are designed with switching power supply chips so as to reduce the size of the system and improve the efficiency. The system passed the test exam. The actual test results show that the system is working properly， its output is accurate， its circuit reaches the design requirements， and it can be popularized.

Keywords： solar lamp； lithium battery； portable charger； USB charging； USB power supply

0 引 言

鋰電池以其高能量密度、長壽命、小體積而被廣泛應(yīng)用于筆記本電池、手機(jī)、航模、電動車等領(lǐng)域，而且隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，鋰電池的成本在進(jìn)一步降低?？梢灶A(yù)見，鋰電池將逐漸成為未來能源的代表[1]。隨著各國對環(huán)境的保護(hù)和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，基于鋰電池的太陽能技術(shù)應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域和航天領(lǐng)域進(jìn)入到工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)以及公用設(shè)施等部門，尤其在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山海島、沙漠等架設(shè)電線較困難的地區(qū)[2]。

本文的出發(fā)點是設(shè)計一種在戶外使用的多功能太陽能燈和移動電源電路系統(tǒng)?？紤]到基于鋰電池的太陽能充電和USB輸出一般要求效率高、穩(wěn)定性好，而開關(guān)電源控制器由于采用了開關(guān)元件具有體積小、重量輕、功耗小、效率高等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于電源管理系統(tǒng)中。本文設(shè)計的多功能太陽能燈和移動電源系統(tǒng)采用開關(guān)型的工作模式。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要分為四個功能：鋰電池的太陽能充電系統(tǒng)；高亮度LED恒流源驅(qū)動；鋰電池的USB電源充電；鋰電池的USB接口電源輸出。

鋰電池的太陽能充電系統(tǒng)主要是實現(xiàn)在野外環(huán)境下利用太陽能為電池充電，充電在一定溫度范圍內(nèi)以先恒流后恒壓模式進(jìn)行。針對大容量電池電路使用開關(guān)模式充電以提高能量存儲效率，同時電路能給出充電過程和充電結(jié)束指示。

太陽能燈一般采用高亮度的LED作為光源，其具有壽命長、效率高、工作電壓低、能通過電流控制明暗等優(yōu)點。由于LED為電流型元件，需要設(shè)計一套恒流源電路來驅(qū)動一顆或者多顆燈珠。同時，電路可根據(jù)環(huán)境光照情況開關(guān)燈。

由于現(xiàn)在USB電源的普適性，鋰電池的USB接口充電是為了應(yīng)對某些情況下太陽能不足或者其他需要手動為電池補(bǔ)充能量的情況下而設(shè)計的?？紤]到一般USB電源供電能力在1 A以下，因此擬設(shè)計的電路最大充電電流在1 A左右，使用線性充電方式。

鋰電池的USB接口輸出是在野外環(huán)境下為手機(jī)、無線設(shè)備、PDA等便攜式電子設(shè)備供電而設(shè)計的，即所謂的移動電源功能。本著高效率和節(jié)能出發(fā)，系統(tǒng)采用開關(guān)式PWM升壓模式輸出，最大輸出電流在1 A左右。

2 電路設(shè)計

2.1 基于CN3722的充電電路[3?4]

CN3722是如韻電子生產(chǎn)的能夠使用太陽能或直流電源適配器充電的PWM型降壓模式充電管理芯片，具有太陽能電池最大功率點跟蹤功能。其輸入電壓范圍為7.5～28 V，開關(guān)頻率為300 kHz，能夠?qū)喂?jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵電池充電，最高充電電流達(dá)5 A。

基于CN3722的充電電路如圖1所示。充電過程中由LED1和LED2指示充電狀態(tài)和充電結(jié)束。充電過程按照涓流→恒流→恒壓三個階段進(jìn)行。在充電狀態(tài)，如果鋰電池電壓低于所設(shè)置的恒壓充電電壓的66.7%，充電器進(jìn)入涓流充電模式，充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的15%。進(jìn)入恒流充電階段，充電電流不變，電壓逐漸升高到預(yù)設(shè)值，充電電流由外部電阻[R9]決定，恒流值大小為[ICH=200 mVR9=2]A。充電電感在20 μH以上即可，此處選擇47 μH以減少紋波，電容為10 μF鉭電容。進(jìn)入恒壓充電階段，電壓不變，電流逐漸減少到0，恒壓充電電壓值為[VBAT=2.416×（1+R8R7）+IB×R8，]其中，[IB]是FB管腳的偏置電流，其典型值為50 nA，[VBAT]設(shè)置為4.2 V。在充電過程中為了保護(hù)電池，在TEMP腳和GND腳之間連接入一個負(fù)溫度系數(shù)的10 kΩ熱敏電阻來監(jiān)測電池溫度。當(dāng)電池溫度超過正常溫度后，芯片停止對電池充電，在電池溫度恢復(fù)到正常溫度范圍后繼續(xù)充電。

由于不同溫度下太陽能電池最大功率點對應(yīng)的輸出電壓有所不同，電路利用[R3]和[R4]構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤，最大功率點電壓值為[VMPPT=] [1.04×（1+R4R3）。]當(dāng)使用直流電源適配器時，要保證適配器輸出電壓值大于最大功率點電壓值，否則充電電路不工作。

2.2 高亮度LED驅(qū)動電路[5?6]

線性恒流源電路由于采用三極管作為分壓元件，在大電流情況下發(fā)熱大、效率低，因而不適合用在大功率場合，也不適合電池供電的場合。本文采用基于CN5619的開關(guān)型恒流源電路，如圖2所示。驅(qū)動電路與電池之間加入一個手動開關(guān)S1和一個光敏開關(guān)。光敏開關(guān)由10 kΩ光敏電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和LM393比較器組成，當(dāng)光強(qiáng)變?nèi)醯揭欢ǔ潭?，光敏電阻兩端電壓升高至比較器閾值，晶閘管T1導(dǎo)通，芯片CN5619開始工作，LED燈點亮。

CN5619是升壓型開關(guān)模式高亮度LED驅(qū)動芯片，工作電壓為2.7～6 V。通過外部功率電阻擴(kuò)展LED電流可以達(dá)數(shù)安培，其既可以驅(qū)動單顆LED，也可以驅(qū)動多顆。本文電路擬驅(qū)動2顆1 W高亮度LED。通過LED的電流[ILED=910 VRISET+0.3 VRCS，]其中[RISET]是ISET與VDD管腳之間的電阻，其值不能小于2.7 kΩ；[RCS]是連接在CS管腳與地之間的電阻，在LED電流小于350 mA時不使用。由于該芯片沒有開路保護(hù)功能，為此在輸出端接入8.2 V穩(wěn)壓二極管D5，以保證在LED開路時不破壞電路元件；同時，注意高亮度LED的散熱問題，防止過熱燒毀。在該電路中使用22 μH的電感和10 μF的鉭電容，電感值不能過大避免直流電阻影響效率，電容可以根據(jù)紋波情況選擇大容量的。

2.3 鋰電池的USB接口充電[7?8]

在太陽能充電不足的情況下可能需要使用USB接口的充電方式，本文使用CN3065單節(jié)鋰電池充電管理芯片進(jìn)行5 V的USB充電，如圖3（a）所示。CN3065符合USB總線規(guī)范，其內(nèi)部集成功率晶體管，只需要極少的外圍器件即可應(yīng)用。該芯片采用線性充電方式，充電過程分為預(yù)充電、恒流、恒壓充電三個過程。如果電池電壓低于3 V，芯片用10%的恒流充電電流對電池進(jìn)行預(yù)充電。其中，恒流充電電流通過[R19]設(shè)置，[ICH=][1 800 VR19=]1 A。恒壓充電電壓可以通過[R22]調(diào)整，其值為[Vbat=4.2+3.04×10-6×R22，]當(dāng)充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的[110]時，充電周期結(jié)束。充電狀態(tài)指示和結(jié)束指示通過LED3和LED4顯示。為了防止電池溫度過高或者過低對電池造成的損害，CN3065內(nèi)部集成有電池溫度監(jiān)測電路，通過[R20]和[R21]熱敏電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對電池溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)TEMP管腳的電壓大于46%×[VIN]超過0.15 s時，芯片正常工作。

2.4 鋰電池的USB供電輸出[9?10]

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種手持設(shè)備不斷涌現(xiàn)，以手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)為代表的電子產(chǎn)品受制于自身體積，電池容量小，因而在某些情況下可能需要鋰電池以USB方式為其他用電設(shè)備供電，即所謂“移動電源”，此種情況下可以采用ON Semiconductor公司生產(chǎn)的NCP1450A升壓型PWM直流變換器以提高電池使用效率，如圖3（b）所示。NCP1450A采用TSOP?5封裝，專門用于電池給端口設(shè)備供電輸出，啟動電壓低至0.9 V，PWM調(diào)制頻率為180 kHz，輸出電壓5 V，輸出電流高達(dá)1 A。該電路只需一個10 μH電感，一個100 μF鉭電容，一個100 μF陶瓷電容，一個連續(xù)電流在1 A平均電流的肖特基二極管和連續(xù)電流在2.5 A以上的功率開關(guān)管等5個元件即可使用。

3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖4所示。圖4（a）是用太陽能為鋰電池充電信號波形，圖4（b）是鋰電池的USB供電輸出，圖4（c）是LED工作時的驅(qū)動電壓，圖4（d）是用5 V的USB電源給鋰電池充電的信號波形。從圖中可以看出各個信號電壓值正確，分別為4.2 V，5 V，6 V，4.2 V，但是都有一定程度的紋波，其中用5 V的USB電源給電池充電時紋波最小，LED驅(qū)動電壓紋波最大。經(jīng)分析可知，鋰電池的太陽能充電、USB供電輸出、LED驅(qū)動電路都屬于開關(guān)工作模式，因而電磁干擾較大，同時LED驅(qū)動電路的濾波電容偏小，后期可以通過增大濾波電容和合理布線減小紋波；USB充電電路紋波較小是因為CN3065屬線性充電模式，無紋波，但是受USB開關(guān)模式供電輸出接口影響會有一定程度的紋波。

4 結(jié) 語

本文從基于鋰電池的太陽能充電管理、照明以及USB接口輸出出發(fā)，設(shè)計了一套實用的、低功耗的太陽能充電照明系統(tǒng)和移動電源系統(tǒng)。從實驗結(jié)果來看，電路滿足設(shè)計總體需求。該電路在野外和偏遠(yuǎn)地區(qū)有較大使用價值，因而可以推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙晏強(qiáng)，李金坡.基于中國專利的鋰電池發(fā)展趨勢分析[J].情報雜志，2012，31（1）：35?40.

[2] 董有爾，蒙宇，申甜甜，等.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].山西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，36（1）：40?48.

[3] 程曉東，陳潤恩，黎志宏，等.簡便實用型太陽能誘蟲燈設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2013，20（2）：62?64.

[4] 高艷.基于太陽能油罐遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

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[7] 何秋生，徐磊，吳雪雪.鋰電池充電技術(shù)綜述[J].電源技術(shù)，2013，37（8）：1464?1466.

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

[10] 陽瑞新，鄧華軍，鄧集萱.一款基于鋰離子電池移動電源的設(shè)計[J].科技視界，2013（20）：53?54.

2.1 基于CN3722的充電電路[3?4]

CN3722是如韻電子生產(chǎn)的能夠使用太陽能或直流電源適配器充電的PWM型降壓模式充電管理芯片，具有太陽能電池最大功率點跟蹤功能。其輸入電壓范圍為7.5～28 V，開關(guān)頻率為300 kHz，能夠?qū)喂?jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵電池充電，最高充電電流達(dá)5 A。

基于CN3722的充電電路如圖1所示。充電過程中由LED1和LED2指示充電狀態(tài)和充電結(jié)束。充電過程按照涓流→恒流→恒壓三個階段進(jìn)行。在充電狀態(tài)，如果鋰電池電壓低于所設(shè)置的恒壓充電電壓的66.7%，充電器進(jìn)入涓流充電模式，充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的15%。進(jìn)入恒流充電階段，充電電流不變，電壓逐漸升高到預(yù)設(shè)值，充電電流由外部電阻[R9]決定，恒流值大小為[ICH=200 mVR9=2]A。充電電感在20 μH以上即可，此處選擇47 μH以減少紋波，電容為10 μF鉭電容。進(jìn)入恒壓充電階段，電壓不變，電流逐漸減少到0，恒壓充電電壓值為[VBAT=2.416×（1+R8R7）+IB×R8，]其中，[IB]是FB管腳的偏置電流，其典型值為50 nA，[VBAT]設(shè)置為4.2 V。在充電過程中為了保護(hù)電池，在TEMP腳和GND腳之間連接入一個負(fù)溫度系數(shù)的10 kΩ熱敏電阻來監(jiān)測電池溫度。當(dāng)電池溫度超過正常溫度后，芯片停止對電池充電，在電池溫度恢復(fù)到正常溫度范圍后繼續(xù)充電。

由于不同溫度下太陽能電池最大功率點對應(yīng)的輸出電壓有所不同，電路利用[R3]和[R4]構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤，最大功率點電壓值為[VMPPT=] [1.04×（1+R4R3）。]當(dāng)使用直流電源適配器時，要保證適配器輸出電壓值大于最大功率點電壓值，否則充電電路不工作。

2.2 高亮度LED驅(qū)動電路[5?6]

線性恒流源電路由于采用三極管作為分壓元件，在大電流情況下發(fā)熱大、效率低，因而不適合用在大功率場合，也不適合電池供電的場合。本文采用基于CN5619的開關(guān)型恒流源電路，如圖2所示。驅(qū)動電路與電池之間加入一個手動開關(guān)S1和一個光敏開關(guān)。光敏開關(guān)由10 kΩ光敏電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和LM393比較器組成，當(dāng)光強(qiáng)變?nèi)醯揭欢ǔ潭?，光敏電阻兩端電壓升高至比較器閾值，晶閘管T1導(dǎo)通，芯片CN5619開始工作，LED燈點亮。

CN5619是升壓型開關(guān)模式高亮度LED驅(qū)動芯片，工作電壓為2.7～6 V。通過外部功率電阻擴(kuò)展LED電流可以達(dá)數(shù)安培，其既可以驅(qū)動單顆LED，也可以驅(qū)動多顆。本文電路擬驅(qū)動2顆1 W高亮度LED。通過LED的電流[ILED=910 VRISET+0.3 VRCS，]其中[RISET]是ISET與VDD管腳之間的電阻，其值不能小于2.7 kΩ；[RCS]是連接在CS管腳與地之間的電阻，在LED電流小于350 mA時不使用。由于該芯片沒有開路保護(hù)功能，為此在輸出端接入8.2 V穩(wěn)壓二極管D5，以保證在LED開路時不破壞電路元件；同時，注意高亮度LED的散熱問題，防止過熱燒毀。在該電路中使用22 μH的電感和10 μF的鉭電容，電感值不能過大避免直流電阻影響效率，電容可以根據(jù)紋波情況選擇大容量的。

2.3 鋰電池的USB接口充電[7?8]

在太陽能充電不足的情況下可能需要使用USB接口的充電方式，本文使用CN3065單節(jié)鋰電池充電管理芯片進(jìn)行5 V的USB充電，如圖3（a）所示。CN3065符合USB總線規(guī)范，其內(nèi)部集成功率晶體管，只需要極少的外圍器件即可應(yīng)用。該芯片采用線性充電方式，充電過程分為預(yù)充電、恒流、恒壓充電三個過程。如果電池電壓低于3 V，芯片用10%的恒流充電電流對電池進(jìn)行預(yù)充電。其中，恒流充電電流通過[R19]設(shè)置，[ICH=][1 800 VR19=]1 A。恒壓充電電壓可以通過[R22]調(diào)整，其值為[Vbat=4.2+3.04×10-6×R22，]當(dāng)充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的[110]時，充電周期結(jié)束。充電狀態(tài)指示和結(jié)束指示通過LED3和LED4顯示。為了防止電池溫度過高或者過低對電池造成的損害，CN3065內(nèi)部集成有電池溫度監(jiān)測電路，通過[R20]和[R21]熱敏電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對電池溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)TEMP管腳的電壓大于46%×[VIN]超過0.15 s時，芯片正常工作。

2.4 鋰電池的USB供電輸出[9?10]

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種手持設(shè)備不斷涌現(xiàn)，以手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)為代表的電子產(chǎn)品受制于自身體積，電池容量小，因而在某些情況下可能需要鋰電池以USB方式為其他用電設(shè)備供電，即所謂“移動電源”，此種情況下可以采用ON Semiconductor公司生產(chǎn)的NCP1450A升壓型PWM直流變換器以提高電池使用效率，如圖3（b）所示。NCP1450A采用TSOP?5封裝，專門用于電池給端口設(shè)備供電輸出，啟動電壓低至0.9 V，PWM調(diào)制頻率為180 kHz，輸出電壓5 V，輸出電流高達(dá)1 A。該電路只需一個10 μH電感，一個100 μF鉭電容，一個100 μF陶瓷電容，一個連續(xù)電流在1 A平均電流的肖特基二極管和連續(xù)電流在2.5 A以上的功率開關(guān)管等5個元件即可使用。

3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖4所示。圖4（a）是用太陽能為鋰電池充電信號波形，圖4（b）是鋰電池的USB供電輸出，圖4（c）是LED工作時的驅(qū)動電壓，圖4（d）是用5 V的USB電源給鋰電池充電的信號波形。從圖中可以看出各個信號電壓值正確，分別為4.2 V，5 V，6 V，4.2 V，但是都有一定程度的紋波，其中用5 V的USB電源給電池充電時紋波最小，LED驅(qū)動電壓紋波最大。經(jīng)分析可知，鋰電池的太陽能充電、USB供電輸出、LED驅(qū)動電路都屬于開關(guān)工作模式，因而電磁干擾較大，同時LED驅(qū)動電路的濾波電容偏小，后期可以通過增大濾波電容和合理布線減小紋波；USB充電電路紋波較小是因為CN3065屬線性充電模式，無紋波，但是受USB開關(guān)模式供電輸出接口影響會有一定程度的紋波。

4 結(jié) 語

本文從基于鋰電池的太陽能充電管理、照明以及USB接口輸出出發(fā)，設(shè)計了一套實用的、低功耗的太陽能充電照明系統(tǒng)和移動電源系統(tǒng)。從實驗結(jié)果來看，電路滿足設(shè)計總體需求。該電路在野外和偏遠(yuǎn)地區(qū)有較大使用價值，因而可以推廣使用。

參考文獻(xiàn)

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[7] 何秋生，徐磊，吳雪雪.鋰電池充電技術(shù)綜述[J].電源技術(shù)，2013，37（8）：1464?1466.

[8] 劉勝男，于鑫，王巖.基于鋰電池的便攜式電源系統(tǒng)設(shè)計[J].軟件，2013（12）：90?91.

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

[10] 陽瑞新，鄧華軍，鄧集萱.一款基于鋰離子電池移動電源的設(shè)計[J].科技視界，2013（20）：53?54.

2.1 基于CN3722的充電電路[3?4]

CN3722是如韻電子生產(chǎn)的能夠使用太陽能或直流電源適配器充電的PWM型降壓模式充電管理芯片，具有太陽能電池最大功率點跟蹤功能。其輸入電壓范圍為7.5～28 V，開關(guān)頻率為300 kHz，能夠?qū)喂?jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵電池充電，最高充電電流達(dá)5 A。

基于CN3722的充電電路如圖1所示。充電過程中由LED1和LED2指示充電狀態(tài)和充電結(jié)束。充電過程按照涓流→恒流→恒壓三個階段進(jìn)行。在充電狀態(tài)，如果鋰電池電壓低于所設(shè)置的恒壓充電電壓的66.7%，充電器進(jìn)入涓流充電模式，充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的15%。進(jìn)入恒流充電階段，充電電流不變，電壓逐漸升高到預(yù)設(shè)值，充電電流由外部電阻[R9]決定，恒流值大小為[ICH=200 mVR9=2]A。充電電感在20 μH以上即可，此處選擇47 μH以減少紋波，電容為10 μF鉭電容。進(jìn)入恒壓充電階段，電壓不變，電流逐漸減少到0，恒壓充電電壓值為[VBAT=2.416×（1+R8R7）+IB×R8，]其中，[IB]是FB管腳的偏置電流，其典型值為50 nA，[VBAT]設(shè)置為4.2 V。在充電過程中為了保護(hù)電池，在TEMP腳和GND腳之間連接入一個負(fù)溫度系數(shù)的10 kΩ熱敏電阻來監(jiān)測電池溫度。當(dāng)電池溫度超過正常溫度后，芯片停止對電池充電，在電池溫度恢復(fù)到正常溫度范圍后繼續(xù)充電。

由于不同溫度下太陽能電池最大功率點對應(yīng)的輸出電壓有所不同，電路利用[R3]和[R4]構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤，最大功率點電壓值為[VMPPT=] [1.04×（1+R4R3）。]當(dāng)使用直流電源適配器時，要保證適配器輸出電壓值大于最大功率點電壓值，否則充電電路不工作。

2.2 高亮度LED驅(qū)動電路[5?6]

線性恒流源電路由于采用三極管作為分壓元件，在大電流情況下發(fā)熱大、效率低，因而不適合用在大功率場合，也不適合電池供電的場合。本文采用基于CN5619的開關(guān)型恒流源電路，如圖2所示。驅(qū)動電路與電池之間加入一個手動開關(guān)S1和一個光敏開關(guān)。光敏開關(guān)由10 kΩ光敏電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和LM393比較器組成，當(dāng)光強(qiáng)變?nèi)醯揭欢ǔ潭?，光敏電阻兩端電壓升高至比較器閾值，晶閘管T1導(dǎo)通，芯片CN5619開始工作，LED燈點亮。

CN5619是升壓型開關(guān)模式高亮度LED驅(qū)動芯片，工作電壓為2.7～6 V。通過外部功率電阻擴(kuò)展LED電流可以達(dá)數(shù)安培，其既可以驅(qū)動單顆LED，也可以驅(qū)動多顆。本文電路擬驅(qū)動2顆1 W高亮度LED。通過LED的電流[ILED=910 VRISET+0.3 VRCS，]其中[RISET]是ISET與VDD管腳之間的電阻，其值不能小于2.7 kΩ；[RCS]是連接在CS管腳與地之間的電阻，在LED電流小于350 mA時不使用。由于該芯片沒有開路保護(hù)功能，為此在輸出端接入8.2 V穩(wěn)壓二極管D5，以保證在LED開路時不破壞電路元件；同時，注意高亮度LED的散熱問題，防止過熱燒毀。在該電路中使用22 μH的電感和10 μF的鉭電容，電感值不能過大避免直流電阻影響效率，電容可以根據(jù)紋波情況選擇大容量的。

2.3 鋰電池的USB接口充電[7?8]

在太陽能充電不足的情況下可能需要使用USB接口的充電方式，本文使用CN3065單節(jié)鋰電池充電管理芯片進(jìn)行5 V的USB充電，如圖3（a）所示。CN3065符合USB總線規(guī)范，其內(nèi)部集成功率晶體管，只需要極少的外圍器件即可應(yīng)用。該芯片采用線性充電方式，充電過程分為預(yù)充電、恒流、恒壓充電三個過程。如果電池電壓低于3 V，芯片用10%的恒流充電電流對電池進(jìn)行預(yù)充電。其中，恒流充電電流通過[R19]設(shè)置，[ICH=][1 800 VR19=]1 A。恒壓充電電壓可以通過[R22]調(diào)整，其值為[Vbat=4.2+3.04×10-6×R22，]當(dāng)充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的[110]時，充電周期結(jié)束。充電狀態(tài)指示和結(jié)束指示通過LED3和LED4顯示。為了防止電池溫度過高或者過低對電池造成的損害，CN3065內(nèi)部集成有電池溫度監(jiān)測電路，通過[R20]和[R21]熱敏電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對電池溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)TEMP管腳的電壓大于46%×[VIN]超過0.15 s時，芯片正常工作。

2.4 鋰電池的USB供電輸出[9?10]

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種手持設(shè)備不斷涌現(xiàn)，以手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)為代表的電子產(chǎn)品受制于自身體積，電池容量小，因而在某些情況下可能需要鋰電池以USB方式為其他用電設(shè)備供電，即所謂“移動電源”，此種情況下可以采用ON Semiconductor公司生產(chǎn)的NCP1450A升壓型PWM直流變換器以提高電池使用效率，如圖3（b）所示。NCP1450A采用TSOP?5封裝，專門用于電池給端口設(shè)備供電輸出，啟動電壓低至0.9 V，PWM調(diào)制頻率為180 kHz，輸出電壓5 V，輸出電流高達(dá)1 A。該電路只需一個10 μH電感，一個100 μF鉭電容，一個100 μF陶瓷電容，一個連續(xù)電流在1 A平均電流的肖特基二極管和連續(xù)電流在2.5 A以上的功率開關(guān)管等5個元件即可使用。

3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖4所示。圖4（a）是用太陽能為鋰電池充電信號波形，圖4（b）是鋰電池的USB供電輸出，圖4（c）是LED工作時的驅(qū)動電壓，圖4（d）是用5 V的USB電源給鋰電池充電的信號波形。從圖中可以看出各個信號電壓值正確，分別為4.2 V，5 V，6 V，4.2 V，但是都有一定程度的紋波，其中用5 V的USB電源給電池充電時紋波最小，LED驅(qū)動電壓紋波最大。經(jīng)分析可知，鋰電池的太陽能充電、USB供電輸出、LED驅(qū)動電路都屬于開關(guān)工作模式，因而電磁干擾較大，同時LED驅(qū)動電路的濾波電容偏小，后期可以通過增大濾波電容和合理布線減小紋波；USB充電電路紋波較小是因為CN3065屬線性充電模式，無紋波，但是受USB開關(guān)模式供電輸出接口影響會有一定程度的紋波。

4 結(jié) 語

本文從基于鋰電池的太陽能充電管理、照明以及USB接口輸出出發(fā)，設(shè)計了一套實用的、低功耗的太陽能充電照明系統(tǒng)和移動電源系統(tǒng)。從實驗結(jié)果來看，電路滿足設(shè)計總體需求。該電路在野外和偏遠(yuǎn)地區(qū)有較大使用價值，因而可以推廣使用。

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