钜大LARGE | 点击量：1535次 | 2020年03月19日
一款多功能太阳能移动电源箱的设计方法与实现
为便携式电子设备开发电源电路要求设计工程师通过最大程度地提高功率和降低整个系统的功耗来延长电池使用寿命，这推动器件本身的尺寸变得更小，从而有益于在设计终端产品时获得更高灵活性。这种设计的最重要元器件之一是电源管理IC或DC/DC转换器。
高效DC/DC转换器是所有便携式设计的基础。许多便携式电子应用被设计成采用单节AA或AAA电池工作，这给电源设计工程师提出了挑战。从850mV～1.5V的输入电压出现一个恒定的3.3V系统输出，要求同步升压DC/DC转换器能够在固定开关频率下工作，同时附带片上补偿电路，并且要微型低高度电感和陶瓷电容，最好采用微型IC封装以减少它在设备设计中的总占位面积。
一个由薄型SOTIC封装和少量外部元器件组成的经过验证的电路设计，实现了一个仅占7×9mm2板面积的效率为90%的单电池到3.3V/150mA转换器。当在单电池输入(1.5V)下工作时，25mA～80mA之间的负载电流可能实现90%以上的效率。一个外部低电流肖特基二极管(虽然并不是必需的)将在较高输出电流下最大程度地提高效率。
这个电路设计集成了带额定电阻值为0.35Ω(N)且典型电阻值为0.45Ω(p)的低栅电极电压内部开关的高效DC/DC转换器。在整个工作温度范围内，开关电流限制一般为850mA，从而在新的碱性AA单节电池输入和两节电池输入时可分别实现0.66W和2.5W的输出功率。
电流模式控制供应出色的输入线路和输出负载瞬态响应。斜坡补偿(这是当占空比超过50%时用来防止分频谐波不稳定性所必需的)可以整合到转换器中，与电路一起保持恒流限制阈值，而不管输入电压是多少。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
重要特性
先进电源管理IC设计的两个特性会影响其工作效率：内部反馈机制的集成和可在工作期间节省能量的节电模式的加入。新增的内部反馈回路补偿不再要外部元器件了，从而降低了总成本，简化了设计过程。通过仅在要时激活电源转换器以将输出电压调制保持在1%以内，节电工作模式提高了轻负载(ILOAD<3mA，典型值)时的转换器效率。一旦输出电压在进行调制，转换器会切换至睡眠状态，从而减少栅电荷损失和静态电流。不带节电模式的类似IC将被强制在整个工作范围内保持恒定的pWM，从而新增了静态电流。虽然在一些频率敏感的应用中恒频pWM可能会受欢迎，但它会降低总系统效率。
关断电流低于1mA，并且这个引脚上的磁滞允许对VIN进行简单的阻性上拉从而持续工作。还要注意，在关断过程中，VOUT保持低于VIN的未经过调制的600mV。当存储器或实时时钟必须在断电期间保持激活时，这个特性特别有用。可以通过更改分压器的电阻值轻松设定输出电压。
为了从电池电源获得最高功效，DC/DC转换器必须能够在1V以下的输入电压下工作，并供应范围在2.5V～5V之间的可调整输出电压。理想情况下，这种器件还将能够在低至0.65V的输入电压下继续工作，唯一的局限性在于输入电源供应足够功率的能力。
这个特性将消除对大的输入旁路电容的要，从而节省了板空间、降低了成本。在低至0.65V的输入电压下工作的能力，是从电量接近耗尽的电池中获得更长使用寿命的重要特性。
以两个由单节电池供电的便携式设备为例，其电池使用寿命的比较表明，在理想测试条件下，电源管理IC在低压模式下工作的能力使其可比传统DC/DC转换器多供应六个多小时的电池使用寿命。工作寿命延长40%为终端产品供应了明显的优势。比较情况如图所示。
EMI抑制方法
当升压转换器在非持续模式下工作时(即功率传动周期开始之前，电感电流降至零时)，可能存在EMI问题。为了帮助降低电势参考点，在电感电流为零且器件处于关断状态时，可将一个100Ω的内部阻尼电路跨接在电感上。
EMI和总性能质量也会受pCB布局的影响。高速工作的低压输入器件要格外注意线路板布局，特别是处于涉及N沟道和p沟道开关切换的工作周期期间的高电流通路。SW引脚、VIN引脚CIN、COUT和地之间的电流通路应短而宽，以形成最低的固有电阻损耗和最低的漏电感。
本方法先利用太阳能供电并结合人们日常生活所需而设计出多功能太阳能移动电源箱，然后利用Multisim仿真软件，对设计中的稳压模块、过充过放保护和输出端口等电路进行仿真测试，仿真测试结果符合理论依据。并对设计实物进行搭建和检测，各方面输出设备均可正常工作。测试结果表明该设计方法合理，可以进行推广使用。
引言
太阳能的设计应用在市场上已经司空见惯，但立足于西藏地区生态环境的保护，结合当地人民生活现状的太阳能产品并不多见。本文从环境保护和西藏地区人们的生活习惯的角度出发，结合太阳能发电技术，设计了一款环保可靠的太阳能多功能移动电源箱。可以说，本设计将解决西藏边远地区人民的用电难问题。
方法设计的理念
太阳能是天然可再生能源。它资源丰富，既可无限制的免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。目前雪域高原是我国污染最轻、环境保护最好的地区，西藏作为我国乃至亚洲重要的生态安全屏障，生态环境的保障至关重要。本设计基于西藏地区丰富的太阳能资源和藏区人们的生活现状的的考虑，利用太阳能供电并结合人们日常生活所需而设计。既符合环保要求又方便携带，解决了西藏地区人民基本的日常用电要，可作为绿色环保产品推广，具有一定的市场价值。
硬件电路设计
1、硬件框图结构设计
本文整体设计硬件框图结构如图1所示，电源箱有太阳光和常规市电两路能量来源。当蓄电池馈电时，在阳光充足的情况下首先利用太阳能充电，其次通过220V电源给蓄电池充电。两种输入方式相结合，方便而且环保。将两种输入能量通过滤波稳压电路，然后给蓄电池进行充电。其中的过充过放保护电路重要是利用继电器电路模块检测蓄电池的电量；当过充的时候断开充电主回路;当蓄电池电压降到一定范围的时候接通充电回路;当检测到过放的时候断开用电器电路，防止过充过放，起到对蓄电池保护的用途，整个电路都是由蓄电池供电。该系统有多路输出端口，既可供LED照明和为手机、Mp3、收音机等多种数码产品充电还可输出220V交流电压供小功率家用电器工作。
2、市电供电模块
本设计所有电路均基于Multisim仿真软件的应用。
图2为市电充电模块电路，当电源接通后红色指示灯LED1点亮，否则熄灭。此电路通过变压器和电桥电路将220V市电转为28.4V直流电压，再经过RC振荡电路进行滤波稳压后送入LM7815三端稳压模块，输出稳定的直流15V电压，然后通过过冲保护电路给蓄电池充电。开关Key1为供电模式手动选择开关，当开关J1连接时为选择市电充电，则红色LED1亮。开关J2连接时为选择太阳能充电，则红色LED2亮，如1、2所示。
3、太阳能供电模块
在图3所示的太阳能供电模块电路中。当Key1接J2时，选择太阳能系统供电，此时红色LED2点亮。电路首先通过整流二极管1N5404整流，然后经RC滤波电路滤波，最后通过稳压二极管1N47744将电压稳定为直流15V，再通过过充保护电路为蓄电池充电。其中1N5404硅整流二极管，其最大反向峰值电压为400V，最大半波整流电流为3A.稳压二极管1N4744最大功耗为1mW，稳定电压为15V，最大电流是57mA。
4、过充过放电路
如图所示为过充过放保护电路，本设计重要基于三端可调分流基准源TL431和继电器的应用，实现对蓄电池充放电保护。如图4所示，为过充保护电路，供电模块通过继电器为蓄电池充电，当电路检测到蓄电池电压大于13V时，绿色LED4亮，继电器将开关向下吸合，断开充电回路，实现过充保护。
如图5所示，为过放保护电路，蓄电池电压大于12V时LED6灯亮，继电器向下吸合为负载供应能量，当蓄电池电压低于10.5V时继电器向上断开放电回路，实现过放保护。
5、输出端口
图6所示为电源箱的输出端口部分设计图，其重要采用LM78XX系列三端集成稳压器来得到稳定电压的输出。当LM78XX系列三端集成稳压器输出电流较大或工作时间较长，LM78XX散热较大，应加散热器。
图6(a)是输出稳定9V供收音机工作。图6(b)为USB接口电路，实际电源箱将输出多个不同类型的接口供数码产品充电，例如图6(b)手机USB充电部分，三端集成稳压器LM7805得到稳定直流5V输出，由于手机充电要的电压为(5±0.5)V，此时刚好适合手机进行充电，当红色LED3亮起时说明此时可以为手机充电了。图6(c)和(d)均接照明负载，当开关Key2和Key3接通时，通过调节滑动变阻器R2，R3可改变光照强弱，进而达到使用者所需的光照强度，新增了设计的人性化。
电路仿真分析
1、LM7815稳压模块仿真
图7为三端稳压集成电路LM7815的仿真结果，C1，C2分别为输入端和输出端滤波电容，R1，R2分别为输入输出端保护电阻。
当输出电流较大时，LM7815散热较大，应加散热器。LM7815三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用可靠、方便。由于三端固定集成稳压电路的使用方便，电子电路中经常采用。当三端稳压集成电路LM7815输入电压大于15V时，通过LM7815稳压模块可输出稳定的15V电压。
2、市电供电模块仿真
由图8中可以看出，由于变压和稳压模块连接后，电气互相影响，测得输入到LM7815稳压模块的电压为28.4V左右，输出15V稳定电压通过过冲电路为蓄电池充电。
3、太阳能供电模块仿真
太阳能供电模块仿真见图9，利用25V直流电压源和5V，20Hz的交流电源串联来模拟太阳能板输出电压，模拟信号在18~32V之间变化，其波形如图9中示波器所示，经电路滤波稳压输出稳定的15V直流电压。
在日光下，用万用表测得实际中太阳能板发出电压幅度在17~25V之间变化，结合太阳能板输出电压波形见图10，证实模拟电源很接近现实中太阳能板出现的电压信号。实物图见图11。
结语
本文提出了一种多功能太阳能移动电源箱的设计方法，该方法完成太阳能多功能移动电源箱内部电路设计，解决了市电和太阳能供电模块以及对蓄电池过充过放的保护电路模块。本设计方法重要是建立在考虑到西藏地区拥有丰富的太阳能资源和藏族地区人们生活的需求，最后经测试结果表明该设计方法合理，可以进行推广使用。
