王星星 朱興喜

近年來(lái)，地震、洪水、泥石流等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，災(zāi)害中的傷病患者也在急劇增多。在野戰(zhàn)及災(zāi)害急救中，電子血壓計(jì)、脈搏血氧儀、檢眼鏡及PDA等小型醫(yī)療儀器對(duì)掌握傷員的病情和提高救治效果具有極大的作用。但是，在野外戰(zhàn)爭(zhēng)或自然災(zāi)害發(fā)生后，常常因?yàn)閿嚯姷仍蛟斐筛鞣N小型醫(yī)療器械無(wú)法正常使用甚至無(wú)法工作，傳統(tǒng)的解決辦法是利用蓄電池或者可充電電池給上述小型醫(yī)療器械供電以保證它們的正常運(yùn)行，然而當(dāng)蓄電池或者可充電電池輸出電壓降至一定程度時(shí)，許多儀器就無(wú)法正常工作，這給野外戰(zhàn)爭(zhēng)或自然災(zāi)害中對(duì)傷員的救治帶來(lái)諸多不便。為此我們提出設(shè)計(jì)一種野戰(zhàn)太陽(yáng)能充電器，使其能在盡可能小的輸入電壓作用下產(chǎn)生合適的輸出電壓來(lái)給鎳氫、鎳鎘等可充電電池充電，以滿足電子血壓計(jì)、脈搏血氧儀、檢眼鏡及PDA等小型醫(yī)療儀器的使用需求，達(dá)到收集電能再利用的目的。

1 太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

既然是用于災(zāi)害及戰(zhàn)爭(zhēng)急救過(guò)程中的太陽(yáng)能充電器，就必須能夠提供足夠的充電功率和減小天氣狀況的影響，因此所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能充電器必須既要有足夠?qū)挼目烧{(diào)輸出電壓范圍，又要有較低的啟動(dòng)電壓以適應(yīng)光照不足的情況；為滿足這一需求，我們選用TPS61201作為初級(jí)升壓芯片，其電壓輸入范圍是0.3～5.5 V，啟動(dòng)電壓為0.5 V，截止電壓0.3 V，可調(diào)輸出范圍為1.8～5.5 V，最高可達(dá)600 mA的輸出電流。再用三端可調(diào)正穩(wěn)壓器LM317來(lái)設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，LM317的輸出電壓范圍是1.2～37 V,負(fù)載電流最大為1.5 A，它的使用非常簡(jiǎn)單，僅需兩個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓器好。LM317內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。

1.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

為方便設(shè)計(jì)，我們將太陽(yáng)能充電器分為電源模塊、升壓模塊、穩(wěn)壓模塊和充電模塊等四個(gè)部分分別設(shè)計(jì)。

1.2.1 電源模塊

考慮到充電過(guò)程中鎳氫、鎳鎘等可充電電池的充電功率，我們選用標(biāo)稱為3 W的太陽(yáng)能電池板作電源模塊，如圖1所示。其峰值電壓為5.1 V，峰值電流為0.59 A，最大開(kāi)路電壓可達(dá)5.8 V,最大短路電流為0.6 A,可充分滿足鎳氫、鎳鎘等可充電電池的充電需求；考慮到災(zāi)害及野戰(zhàn)過(guò)程中天氣因素的影響，在光照不足時(shí)，太陽(yáng)能電池板無(wú)法提供足夠的啟動(dòng)電流來(lái)保證TPS61201啟動(dòng)，因此需要在太陽(yáng)能電池板的輸出端并聯(lián)一個(gè)較大的啟動(dòng)電容，以保證即便在光照不足的情況下，太陽(yáng)能電池板仍可以驅(qū)動(dòng)TPS61201工作。

圖1 5 V3 W太陽(yáng)能電池板

1.2.2 升壓模塊

升壓模塊以TPS61201為核心，其0.5 V的啟動(dòng)電壓能最大限度降低天氣狀況的影響，即便在光照很弱的情況下，也可被6 V100 uF的啟動(dòng)電容啟動(dòng)工作,經(jīng)過(guò)設(shè)置調(diào)整輸出至5.5 V。主要電路如圖2所示：

圖2 升壓電路圖

FB腳的作用是檢測(cè)輸出電壓，當(dāng)輸出電壓被正確調(diào)整時(shí)，F(xiàn)B腳電壓的典型值為500 mV。輸出電壓的最大推薦值為5.5 V，通過(guò)電阻器的電流應(yīng)大于通過(guò)FB腳的電流100倍以上。FB腳的典型輸入電流為0.01 μA，F(xiàn)B腳和地之間的電阻R2的典型電壓值為500 mV?；谶@兩個(gè)值，為了保證R2上的電流不低于1 μA，R2的值應(yīng)低于500 kΩ。Vout腳和FB腳之間的R1的值可以通過(guò)公式1得到：

當(dāng)輸出電壓為5.5 V，電阻R2值為200 kΩ時(shí)，電阻R1的值約為2 MΩ。

當(dāng)輸出電壓過(guò)低時(shí)，UVLO腳被用于關(guān)閉輸出，內(nèi)設(shè)閾值為250 mV。R3、R4展示了如何去監(jiān)測(cè)輸入電路。通過(guò)R4電流應(yīng)大于UVLO腳電流的100倍以上，流進(jìn)UVLO腳電流的典型值為0.01 μA，R4電壓等于該 UVLO 電壓閾值，即250 mV，所以R4的推薦值在250 kΩ之內(nèi)，而電阻R3的阻值可由公式2得到：

當(dāng)輸入電壓最小為0.3 V，R4阻值為200 kΩ時(shí)，R3的值為40 kΩ。

要確保TPS61201能夠運(yùn)行，還需在Vin腳和L腳之間加一個(gè)電感L1，其值可由公式3得到：

推薦的電感值范圍介于1.5 uH和4.7 uH之間，建議使用2.2 uH將使輸入輸出電壓范圍達(dá)到最佳性能。

為了改善電路瞬態(tài)和電磁干擾等問(wèn)題，輸入電容C1至少要4.7 uF，應(yīng)選擇陶瓷電容，放置時(shí)離VIN和PGND腳越近越好。

輸出電容C2為小的陶瓷電容，且需要盡可能的靠近芯片的VOUT和PGND引腳,C2的值可由公式4得到：

在VAUX腳和GND腳之間必須加一個(gè)電容，該電容用來(lái)維持和篩選控制電源電壓。在啟動(dòng)過(guò)程中和主輸出VOUT打開(kāi)前它被充電，為了確保芯片穩(wěn)定運(yùn)行，電容C3的值至少為0.1 uF。當(dāng)輸出電壓低于2.5 V時(shí)，C3應(yīng)當(dāng)在1 uF左右。由于該電容也被作為主開(kāi)關(guān)緩沖電容器，使用一個(gè)低等效電阻的陶瓷電容是重要的。

1.2.3 穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊以LM317為核心，它的作用是將TPS61201的輸出電壓穩(wěn)定成所需的電壓值，在操作中，LM117運(yùn)行標(biāo)稱基準(zhǔn)電壓VREF為1.25 V,在輸出和調(diào)整終端之間，基準(zhǔn)電壓是電阻器R1上的電壓值，由于電壓是恒定的，一個(gè)恒定的電流I1然后流經(jīng)輸出設(shè)置電阻R2，給出一個(gè)輸出電壓，電路如圖3所示：

圖3 LM317穩(wěn)壓模塊電路圖

其輸出電壓值可由公式5決定：

為了減小輸入行的敏感性阻抗，輸入端應(yīng)接入0.1 uF的陶瓷或1.0 uF的鉭旁路電容。另外，為了防止干擾隨著輸出電壓的增加而被放大，輸出終端需接一個(gè)10 uF的電容。

為了獲得較寬的電壓輸出范圍，當(dāng)穩(wěn)壓部分的輸入電壓VIN=5.5 V,VOUT=5時(shí)，可得可調(diào)電阻R2和電阻R1的比值為3。當(dāng)選擇電阻R1的阻值為180 K時(shí)，可變電阻R2的值最大為540 K，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2的值我們即可獲得輸出范圍在1.25～5 V之間的充電電壓。

1.2.4 充電模塊

考慮到該太陽(yáng)能充電器的最高輸出電壓為5 V，足功率輸出時(shí)可同時(shí)為串聯(lián)的3～4節(jié)1.2 V的鎳氫、鎳鎘電池充電,為了防止充電完畢或者電路故障等原因造成電路電流的逆流，我們?cè)谳敵龆嗽O(shè)置一個(gè)肖特基二極管SS24，其具有導(dǎo)通電壓低、功耗低、反向截止等特點(diǎn)，可有效保證充電完畢后電池中的電能不外流。

2 結(jié)論與展望

該野戰(zhàn)太陽(yáng)能充電器的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，思路明確，質(zhì)量很輕，方便攜帶，能夠有效解決災(zāi)害及戰(zhàn)爭(zhēng)中電力緊缺和電能浪費(fèi)等問(wèn)題，在缺少電力的緊急時(shí)刻，為鎳氫、鎳鎘等可充電電池充電以滿足電子血壓計(jì)、脈搏血氧儀、檢眼鏡及PDA等小型醫(yī)療儀器的使用需求，為醫(yī)生及護(hù)士掌握傷員的病情和提高救治效果起到極大的作用。其極低的啟動(dòng)電壓和截止電壓,允許該太陽(yáng)能充電器在光照不足的情況下工作,有效的降低了天氣狀況對(duì)太陽(yáng)能電池板的影響,大大提高了該太陽(yáng)能充電器的使用效率。但是它的設(shè)計(jì)是基于高效電器元件的基礎(chǔ)之上，價(jià)格相對(duì)較貴，而且太陽(yáng)能電池板易受天氣影響，這在一定程度上影響了野戰(zhàn)太陽(yáng)能充電器的推廣，因此需要尋求更加廉價(jià)高效的升壓芯片和能源轉(zhuǎn)換器來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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