鉅大LARGE | 點擊量：1563次 | 2020年03月19日
一款多功能太陽能移動電源箱的設計方法與實現
為便攜式電子設備開發電源電路要求設計工程師通過最大程度地提高功率和降低整個系統的功耗來延長電池使用壽命，這推動器件本身的尺寸變得更小，從而有益于在設計終端產品時獲得更高靈活性。這種設計的最重要元器件之一是電源管理IC或DC/DC轉換器。
高效DC/DC轉換器是所有便攜式設計的基礎。許多便攜式電子應用被設計成采用單節AA或AAA電池工作，這給電源設計工程師提出了挑戰。從850mV～1.5V的輸入電壓出現一個恒定的3.3V系統輸出，要求同步升壓DC/DC轉換器能夠在固定開關頻率下工作，同時附帶片上補償電路，并且要微型低高度電感和陶瓷電容，最好采用微型IC封裝以減少它在設備設計中的總占位面積。
一個由薄型SOTIC封裝和少量外部元器件組成的經過驗證的電路設計，實現了一個僅占7×9mm2板面積的效率為90%的單電池到3.3V/150mA轉換器。當在單電池輸入(1.5V)下工作時，25mA～80mA之間的負載電流可能實現90%以上的效率。一個外部低電流肖特基二極管(雖然并不是必需的)將在較高輸出電流下最大程度地提高效率。
這個電路設計集成了帶額定電阻值為0.35Ω(N)且典型電阻值為0.45Ω(p)的低柵電極電壓內部開關的高效DC/DC轉換器。在整個工作溫度范圍內，開關電流限制一般為850mA，從而在新的堿性AA單節電池輸入和兩節電池輸入時可分別實現0.66W和2.5W的輸出功率。
電流模式控制供應出色的輸入線路和輸出負載瞬態響應。斜坡補償(這是當占空比超過50%時用來防止分頻諧波不穩定性所必需的)可以整合到轉換器中，與電路一起保持恒流限制閾值，而不管輸入電壓是多少。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
重要特性
先進電源管理IC設計的兩個特性會影響其工作效率：內部反饋機制的集成和可在工作期間節省能量的節電模式的加入。新增的內部反饋回路補償不再要外部元器件了，從而降低了總成本，簡化了設計過程。通過僅在要時激活電源轉換器以將輸出電壓調制保持在1%以內，節電工作模式提高了輕負載(ILOAD<3mA，典型值)時的轉換器效率。一旦輸出電壓在進行調制，轉換器會切換至睡眠狀態，從而減少柵電荷損失和靜態電流。不帶節電模式的類似IC將被強制在整個工作范圍內保持恒定的pWM，從而新增了靜態電流。雖然在一些頻率敏感的應用中恒頻pWM可能會受歡迎，但它會降低總系統效率。
關斷電流低于1mA，并且這個引腳上的磁滯允許對VIN進行簡單的阻性上拉從而持續工作。還要注意，在關斷過程中，VOUT保持低于VIN的未經過調制的600mV。當存儲器或實時時鐘必須在斷電期間保持激活時，這個特性特別有用?？梢酝ㄟ^更改分壓器的電阻值輕松設定輸出電壓。
為了從電池電源獲得最高功效，DC/DC轉換器必須能夠在1V以下的輸入電壓下工作，并供應范圍在2.5V～5V之間的可調整輸出電壓。理想情況下，這種器件還將能夠在低至0.65V的輸入電壓下繼續工作，唯一的局限性在于輸入電源供應足夠功率的能力。
這個特性將消除對大的輸入旁路電容的要，從而節省了板空間、降低了成本。在低至0.65V的輸入電壓下工作的能力，是從電量接近耗盡的電池中獲得更長使用壽命的重要特性。
以兩個由單節電池供電的便攜式設備為例，其電池使用壽命的比較表明，在理想測試條件下，電源管理IC在低壓模式下工作的能力使其可比傳統DC/DC轉換器多供應六個多小時的電池使用壽命。工作壽命延長40%為終端產品供應了明顯的優勢。比較情況如圖所示。
EMI抑制方法
當升壓轉換器在非持續模式下工作時(即功率傳動周期開始之前，電感電流降至零時)，可能存在EMI問題。為了幫助降低電勢參考點，在電感電流為零且器件處于關斷狀態時，可將一個100Ω的內部阻尼電路跨接在電感上。
EMI和總性能質量也會受pCB布局的影響。高速工作的低壓輸入器件要格外注意線路板布局，特別是處于涉及N溝道和p溝道開關切換的工作周期期間的高電流通路。SW引腳、VIN引腳CIN、COUT和地之間的電流通路應短而寬，以形成最低的固有電阻損耗和最低的漏電感。
本方法先利用太陽能供電并結合人們日常生活所需而設計出多功能太陽能移動電源箱，然后利用Multisim仿真軟件，對設計中的穩壓模塊、過充過放保護和輸出端口等電路進行仿真測試，仿真測試結果符合理論依據。并對設計實物進行搭建和檢測，各方面輸出設備均可正常工作。測試結果表明該設計方法合理，可以進行推廣使用。
引言
太陽能的設計應用在市場上已經司空見慣，但立足于西藏地區生態環境的保護，結合當地人民生活現狀的太陽能產品并不多見。本文從環境保護和西藏地區人們的生活習慣的角度出發，結合太陽能發電技術，設計了一款環保可靠的太陽能多功能移動電源箱?？梢哉f，本設計將解決西藏邊遠地區人民的用電難問題。
方法設計的理念
太陽能是天然可再生能源。它資源豐富，既可無限制的免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。目前雪域高原是我國污染最輕、環境保護最好的地區，西藏作為我國乃至亞洲重要的生態安全屏障，生態環境的保障至關重要。本設計基于西藏地區豐富的太陽能資源和藏區人們的生活現狀的的考慮，利用太陽能供電并結合人們日常生活所需而設計。既符合環保要求又方便攜帶，解決了西藏地區人民基本的日常用電要，可作為綠色環保產品推廣，具有一定的市場價值。
硬件電路設計
1、硬件框圖結構設計
本文整體設計硬件框圖結構如圖1所示，電源箱有太陽光和常規市電兩路能量來源。當蓄電池饋電時，在陽光充足的情況下首先利用太陽能充電，其次通過220V電源給蓄電池充電。兩種輸入方式相結合，方便而且環保。將兩種輸入能量通過濾波穩壓電路，然后給蓄電池進行充電。其中的過充過放保護電路重要是利用繼電器電路模塊檢測蓄電池的電量；當過充的時候斷開充電主回路;當蓄電池電壓降到一定范圍的時候接通充電回路;當檢測到過放的時候斷開用電器電路，防止過充過放，起到對蓄電池保護的用途，整個電路都是由蓄電池供電。該系統有多路輸出端口，既可供LED照明和為手機、Mp3、收音機等多種數碼產品充電還可輸出220V交流電壓供小功率家用電器工作。
2、市電供電模塊
本設計所有電路均基于Multisim仿真軟件的應用。
圖2為市電充電模塊電路，當電源接通后紅色指示燈LED1點亮，否則熄滅。此電路通過變壓器和電橋電路將220V市電轉為28.4V直流電壓，再經過RC振蕩電路進行濾波穩壓后送入LM7815三端穩壓模塊，輸出穩定的直流15V電壓，然后通過過沖保護電路給蓄電池充電。開關Key1為供電模式手動選擇開關，當開關J1連接時為選擇市電充電，則紅色LED1亮。開關J2連接時為選擇太陽能充電，則紅色LED2亮，如1、2所示。
3、太陽能供電模塊
在圖3所示的太陽能供電模塊電路中。當Key1接J2時，選擇太陽能系統供電，此時紅色LED2點亮。電路首先通過整流二極管1N5404整流，然后經RC濾波電路濾波，最后通過穩壓二極管1N47744將電壓穩定為直流15V，再通過過充保護電路為蓄電池充電。其中1N5404硅整流二極管，其最大反向峰值電壓為400V，最大半波整流電流為3A.穩壓二極管1N4744最大功耗為1mW，穩定電壓為15V，最大電流是57mA。
4、過充過放電路
如圖所示為過充過放保護電路，本設計重要基于三端可調分流基準源TL431和繼電器的應用，實現對蓄電池充放電保護。如圖4所示，為過充保護電路，供電模塊通過繼電器為蓄電池充電，當電路檢測到蓄電池電壓大于13V時，綠色LED4亮，繼電器將開關向下吸合，斷開充電回路，實現過充保護。
如圖5所示，為過放保護電路，蓄電池電壓大于12V時LED6燈亮，繼電器向下吸合為負載供應能量，當蓄電池電壓低于10.5V時繼電器向上斷開放電回路，實現過放保護。
5、輸出端口
圖6所示為電源箱的輸出端口部分設計圖，其重要采用LM78XX系列三端集成穩壓器來得到穩定電壓的輸出。當LM78XX系列三端集成穩壓器輸出電流較大或工作時間較長，LM78XX散熱較大，應加散熱器。
圖6(a)是輸出穩定9V供收音機工作。圖6(b)為USB接口電路，實際電源箱將輸出多個不同類型的接口供數碼產品充電，例如圖6(b)手機USB充電部分，三端集成穩壓器LM7805得到穩定直流5V輸出，由于手機充電要的電壓為(5±0.5)V，此時剛好適合手機進行充電，當紅色LED3亮起時說明此時可以為手機充電了。圖6(c)和(d)均接照明負載，當開關Key2和Key3接通時，通過調節滑動變阻器R2，R3可改變光照強弱，進而達到使用者所需的光照強度，新增了設計的人性化。
電路仿真分析
1、LM7815穩壓模塊仿真
圖7為三端穩壓集成電路LM7815的仿真結果，C1，C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，R1，R2分別為輸入輸出端保護電阻。
當輸出電流較大時，LM7815散熱較大，應加散熱器。LM7815三端穩壓IC來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用可靠、方便。由于三端固定集成穩壓電路的使用方便，電子電路中經常采用。當三端穩壓集成電路LM7815輸入電壓大于15V時，通過LM7815穩壓模塊可輸出穩定的15V電壓。
2、市電供電模塊仿真
由圖8中可以看出，由于變壓和穩壓模塊連接后，電氣互相影響，測得輸入到LM7815穩壓模塊的電壓為28.4V左右，輸出15V穩定電壓通過過沖電路為蓄電池充電。
3、太陽能供電模塊仿真
太陽能供電模塊仿真見圖9，利用25V直流電壓源和5V，20Hz的交流電源串聯來模擬太陽能板輸出電壓，模擬信號在18~32V之間變化，其波形如圖9中示波器所示，經電路濾波穩壓輸出穩定的15V直流電壓。
在日光下，用萬用表測得實際中太陽能板發出電壓幅度在17~25V之間變化，結合太陽能板輸出電壓波形見圖10，證實模擬電源很接近現實中太陽能板出現的電壓信號。實物圖見圖11。
結語
本文提出了一種多功能太陽能移動電源箱的設計方法，該方法完成太陽能多功能移動電源箱內部電路設計，解決了市電和太陽能供電模塊以及對蓄電池過充過放的保護電路模塊。本設計方法重要是建立在考慮到西藏地區擁有豐富的太陽能資源和藏族地區人們生活的需求，最后經測試結果表明該設計方法合理，可以進行推廣使用。
