孫道宗，王衛(wèi)星，姜 晟，孔繁波

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

太陽能的開發(fā)及利用在大力提倡發(fā)展低碳經(jīng)濟的時代背景下日益受到矚目。我國光伏產(chǎn)業(yè)以每年30%的速度增長，最近三年全球太陽能電池總產(chǎn)量平均年增長率高達49.8%以上[1]。而通信設(shè)備、田間測量儀器等便攜式電子產(chǎn)品的普及使得以太陽能電池板為基礎(chǔ)的便攜式充電裝置倍受青睞，不受地域限制，能夠在傳統(tǒng)充電器無法工作的場合進行應(yīng)急或可持續(xù)充電。目前，充電電池的充電技術(shù)主要有電壓負(fù)增量控制、時間控制、溫度控制、最高電壓控制技術(shù)等。假設(shè)充電電池的電壓保持恒定的條件下，利用LM393、ICL7660等元件構(gòu)成的切換電路控制，由TPS5430降壓電路和MAX1674升壓電路組成智能充電器，由可調(diào)直流電源模擬當(dāng)太陽能電池板的輸出電壓大范圍變化時，實現(xiàn)充電器的自動啟動并盡可能地增大充電電流來實現(xiàn)充電效率的提高。

1 理論分析與計算

充電器的測試原理示意圖如圖1所示。假定太陽能電池板的輸出功率有限，電動勢Es在一定范圍內(nèi)緩慢變化，監(jiān)測和控制電路采用間歇工作方式，以降低能耗。可充電池的電動勢 Ec恒定為 3.6 V，內(nèi)阻 Rc為 0.1 Ω。

2 硬件電路設(shè)計

充電器硬件電路組成框圖如圖2所示。充電器由切換電路自動判斷直流電源輸入電壓，選擇升壓或降壓電路，實現(xiàn)在工作電壓范圍內(nèi)自動切換，模擬對充電電池的充電效果。

2.1 切換電路設(shè)計

切換電路用于切換充電器升壓工作和降壓工作兩種模式。設(shè)定切換的閾值電壓為3.6 V，閾值電壓由可調(diào)電阻設(shè)定并可調(diào)。充電電壓超過閾值電壓時降壓電路工作，低于閾值電壓時升壓電路工作。切換電路由場效應(yīng)管、電壓比較器等分立元件構(gòu)成，原理圖如圖3所示。

圖3中，輸入端VIN（P1）接充電電源，輸出端P2接MAX1674升壓電路的輸入端，肖特基二極管VD1用于防止電流倒灌。穩(wěn)壓器TL431為電壓比較器LM393的負(fù)輸入端提供參考電壓。輸入端VIN（P1）通過濾波后接入電壓比較器LM393的正輸入端。調(diào)節(jié)R_ad可調(diào)電阻，使輸入小于3.6 V時電壓比較器LM393輸出負(fù)電壓，P溝道MOS管IRLM16402 VQ1、VQ2和 VQ3導(dǎo)通，VQ1，VQ2的漏極連接升壓電路， 使切換電路輸入、輸出端短接，使充電電壓接至升壓電路。當(dāng)輸入大于3.6 V 時，輸出高電平，VQ1、VQ2和 VQ3截止，此時 MAX1674 升壓電路無輸入。VD2、VD3的作用是當(dāng)電壓大于3.6 V時，LM393的負(fù)電源端接地；當(dāng)電壓小于5.5 V時，LM393負(fù)電源通過VQ3接ICL7660的負(fù)電壓輸出引腳。

2.2 升壓/降壓電路設(shè)計

升壓電路主要由升壓式DC-DC電源轉(zhuǎn)換器MAX1674組成，升壓后輸出4 V直接對電池進行充電。MAX1674升壓電路如圖4所示。

降壓電路主要由降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器TPS5430組成，降壓后直接對電池進行充電。TPS5430降壓電路如圖5所示。

3 試驗結(jié)果及分析

1）電源內(nèi)阻 Rs=100 Ω，調(diào)整 Es的大小，使其在 10～20 V范圍內(nèi)變化，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 高壓充電測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of high voltage charge

由表1可見，在Es為10 V時，實測充電電流與理論值存在5.9 mA的偏差，充電電流低、充電器的轉(zhuǎn)換效率不高可能與芯片的轉(zhuǎn)換效率和輸入電壓有關(guān)，由TPS5430的數(shù)據(jù)資料可知，在輸入電壓為10 V左右，輸出電流約為60 mA時，其工作效率約為92%。而在12～20 V范圍內(nèi)，實測充電電流大于理論計算充電電流值。

2）逐漸降低Es，直到充電電流 Ic略大于 0時，記錄對應(yīng)的電源電壓Es，該電壓即為最低可充電電壓。為保證準(zhǔn)確性，對多個不同的電源電壓值進行測試，選取最優(yōu)3組數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 降壓電路最低可充電電壓Tab.2 minimum charge voltage for buck circuit

由表2可見，當(dāng)Es下降到3.6 V時，充電電流為0，充電器不能再對電池進行充電，故最低可充電電壓為3.6 V。

3）從 0 開始逐漸升高 Es，Rs為 0.1 Ω；當(dāng) Es升高到高于1.1 V時，更換Rs為1 Ω。然后繼續(xù)升高Es，直到充電電流略大于0，記錄此時的電源電壓值，該電壓即為自動啟動充電功能的啟動電壓。為保證準(zhǔn)確性，對多個不同的電源電壓值進行測試，選取最優(yōu)4組數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 自動啟動充電功能電壓Tab.3 Automatically start charging voltage

由表3可見，當(dāng)Es小于3.6 V時，充電電流持續(xù)為0，一旦Es上升到3.6 V后，充電電流由0開始增加，即自動啟動充電電壓為3.6 V。

4）Es降低到不能向電池充電，最低至0時，檢測放電電流。為保證準(zhǔn)確性，對多個不同的電源電壓值進行測試，選取最優(yōu)3組數(shù)據(jù)記錄如表4所示。

表4 放電電流Tab.4 Discharge current

由表4可知，當(dāng)電源電動勢下降到最低可充電電壓時，電池開始放電，放電電流為3 mA?？紤]到放電電流受倒灌電阻Rd影響，改變Rd的大小可改變放電電流。試驗表明，Rd=15 Ω時放電電流最小。

5）接上電源內(nèi)阻 Rs=1 Ω，調(diào)整 Es，使其在 1.2～3.6 V 范圍內(nèi)變化。數(shù)據(jù)記錄如表5所示。

表5 低壓充電測試數(shù)據(jù)Tab.5 Test data of low voltage charge

由表5可見，隨著電源電勢的增加，充電電流也隨著增加，直到當(dāng)Es達到3.2 V時，充電電流不再跟隨電源電勢變化。當(dāng)電源電勢為3.2 V時，充電電流最大，為256 mA。導(dǎo)致充電電流突變的原因是升壓器件MAX1674在不同輸入電壓下轉(zhuǎn)換效率不同。由于MAX1674在超過3 V電壓下工作時轉(zhuǎn)換效率低，所以充電電流出現(xiàn)非線性的突變。

6）當(dāng) Es≥1.1 V 時，取 Rs=1 Ω；當(dāng) Es＜1.1 V 時，取 Rs=0.1 Ω。測量向電池充電的Es，記錄數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 升壓電路最低可充電電壓Tab.6 Minimum charge voltage for boost circuit

由表6可知，逐漸降低電源電勢Es時，充電電流也隨著下降。當(dāng)Es到達0.4 V時輸出電壓已經(jīng)在0 V附近變化，因此能向電池充電的最低Es為0.4 V。

4 結(jié) 論

本設(shè)計以切換電路為控制核心，控制升壓型電路和降壓型電路對電池進行充電。該充電器輸出電壓能夠恒定在4 V，自動啟動充電功能的Es為3.6 V，Es降低到不能向電池充電時，電池放電電流為3 mA，電路適合由輸出電壓波動較大的太陽能電池板供電的便攜式充電器，且充電效率高于傳統(tǒng)的充電器。

[1]新華社.點燃中國光伏市場還須邁幾道坎 [N/OL].（2008-07-08）.中國太陽能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)，http://www.21tyn.com/news/0807/08/5807f144Q41t.htm.

[2]鈴木雅巨.晶體管電路設(shè)計：上冊[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[3]庾莉萍.提高太陽能電池效率的主要措施[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2009（11）:68-69.

YU Li-ping.Main measures for improve the efficiency of solar cells[J].Power Supply Technologies and Applications，2009（11）:68-69.

[4]楊志勇，王衛(wèi)星.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電源系統(tǒng)設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2008，25（6）:63-64.

YANG Zhi-yong，WANG Wei-xing.Design of node power system forwirelesssensornetwork [J].Telecom Power Technology， 2008，25（6）:63-64.

[5]張冰，邱進，何研.一種低壓大電流開關(guān)電源的研制[J].通信電源技術(shù)，2009（1）:27-28，32.

ZHANG Bing，QIU Jin，HE Yan.Design of a low voltage and great current switching mode power supply [J].Telecom Power Technology，2009（1）:27-28，32.

[6]Christophe Basso.開關(guān)電源環(huán)路中的TL431[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2009（3）:99-102.

Christophe Basso.TL431 in the switching power supply loop[J].Electronic Design&Application.2009（3）:99-102.