便携式大容量太阳能锂离子电池充电器的设计
2011-01-16李俊杰朱金武
李俊杰,朱金武
(天津电子信息职业技术学院,300132)
一、概述
锂离子电池具有体积小、重量轻、放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。常用于手机、数码相机、M P3、PDA、蓝牙应用、笔记本电脑等移动设备。如果利用太阳能给锂离子电池充电,能够更好地实现在移动办公过程中的电能补充。
太阳能电池又称为“光伏电池”。当太阳光照射到由 P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时,在一定条件下,太阳能辐射被半导体材料吸收,形成内建静电场。如果从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载,就会形成电压和电流,这就是太阳能电池的基本原理。单片太阳能电池就是一个薄片半导体P-N结。标准光照条件下,额定输出电压为0.48V。
以非晶硅、单晶硅、多晶硅等作为太阳能极板在太阳的照射下,光能便立即转化成电能,它发出的直流电可直接向锂离子大容量电池充电也可将其电能储存到其他电池内。同时采用适合的锂电池充电管理芯片进行控制和管理,可以在移动过程中,对锂离子或者锂-聚合物可充电电池进行恒流/恒压充电。我们把太阳能极板和锂离子电池充电电路封装在一起,以手掌大小的盒子形成“可移动式太阳能锂离子电池充电器”,作为USB接口供电的充电器在移动中的补充及便携式设备充电装置。
二、电路设计方案
1.锂离子电池充电特点
单只500m AH的锂离子电池的充电电压最好保持在4.2V,充电电流通常限制在500m A以下,否则会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池通常采用恒流/恒压充电模式,即先采用500m A的恒定电流充电,电池电压不断上升,当上升到4.2V时,充电器应立即转入恒压方式,充电电流逐渐减小,当电池充足电时,电流降到涓流充电电流。用此方法,大约两个小时电池可以充足500m A H。锂离子电池放电电流不应超过1.5A,单体电池电压不应低于2.2V,否则会造成损坏。
充电电池容量是电池电压的函数,电压越高,容量就越大。不过,如果电池电压升高,就会导致电池使用寿命缩短。例如,如果用4.3 V电压给电池充电,那么容量就会提高10%,但电池使用寿命会缩短一半。另一方面,如果电池充电不足,比理想电压状态低40 m V,那么容量就会降低约8%。因此,非常精准的电池充电电压至关重要。
2.电路设计
为了利用多晶硅电池,非晶硅电池作为主要的充电的能源,对单节锂离子或者锂-聚合物可充电电池,实现可移动的能源。电路设计将上述技术结合起来满足相关的指标要求。
图1 电路设计图
图2 充电过程示意图
3.原理分析
CN 3051/CN3052是可以对单节锂离子或者锂-聚合物可充电电池进行恒流/恒压充电的IC芯片。1)CN3052A/CN3051A电压—4.2V/4.1V、充电电流达 500mA。2)C N3052B/CN 3051B电压—4.2V/4.1V、充电电流达 150MA 。3)CN 3056电压—4.2V/4.1V、充电电流达 1A。其中CN3056可以用USB口或交流适配器对单节锂电池充电,在电池电压较低时采用小电流的预充电模式充电,适合便携设备应用的线性锂电池充电管理芯片。
图2是CN 3052A/CN3052B/CN3056的充电过程示意图。当输入电压大于电源低电压检测阈值和芯片使能输入端接高电平时,CN3052A/CN 3052B/CN 3056开始对电池充电,CHRG管脚输出低电平,表示充电正在进行。如果电池电压低于3V,充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压超过3V时,充电器采用恒流模式对电池充电,充电电流由 ISET管脚和 GND之间的电阻RISET确定。当电池电压接近电池端调制电压4.2V时,充电电流逐渐减小,CN3052A/CN 3052B/CN 3056进入恒压充电模式。
当充电电流减小到充电结束阈值时,CHRG端输出高阻态,表示充电周期结束,充电结束阈值是恒流充电电流的10%。如果要开始新的充电周期,只要将输入电压断电,然后再上电就可以了,或者将CE管脚的电压暂时拉到0V,再恢复到高电平。当电池电压降到再充电阈值以下时,自动开始新的充电周期。当输入电压低于电池电压时,充电器进入低功耗的睡眠模式,电池端消耗的电流小于3μA,从而增加了待机时间。如果将使能输入端CE接低电平,充电器被关断。
CN 3056组成充电器具有如下的特点:电路简单、外围元器件少、印制板面积小,有可能将充电器做在产品中,成本低,组成单独的充电器体积小、重量轻,便于携带,终止充电电压精度±1%,满足电池的要求,恒流充电的电流可由一外设电阻RISET设定,最大恒流充电电流可达1A。内部有检测充电电池温度的电路,若充电电池温度过低(<0℃)或过高(>45℃)时,充电器有故障信号输出(LED亮),并暂停充电;充电器有充电状态指示,正常充电时LED亮,充电结束时LED灭;充电器内部有检测充电电池的电压及电流的电路,按充电模式自动进行转换,安全可靠;内部有功率管理电路,当芯片的结温超过115℃时,会自动降低充电电流,防止过热,用户可不用担心芯片过热而损坏;内部有输入电源过低检测电路,当电源电压低于4.03V阈值电压时,实现低压锁存,充电器关断,充电被禁止;在充电过程中,若电源掉电或低于低电压阈值电压,充电器进入睡眠模式,电池耗电小于3μA;在充电结束后,若电池电压低于4.1V时,充电器会自动再充电;芯片有使能端(CE),高电平有效,若此端加低电平,则充电器即使上电也不工作;采用小尺寸、散热效果好的10引脚DFN封装(3mm×3mm×0.9mm);工作温度范围-40~85℃;无铅封装。
三、利用太阳能实现可移动充电
为了获得较高的输出电压和较大容量,把多片太阳能电池连接在一起。太阳能电池的输出功率是随机的。不同时间、不同地点、不同安装方式下,同一块太阳能电池的输出功率也是不同的。目前,太阳能电池的光电转换率一般在百分之十几以上,个别发达国家的太阳能电池光电转换率已经可以达到30%左右。
对三种太阳能电池(非晶硅、单晶硅、多晶硅太阳能电池)进行比较分析,单晶硅电池的特点是正午强光直射时发电效率最高,其他时间发电效率较低,其成本比较高;非晶硅电池的特点是成本较低、弱光响应特性好,在上下午或阴天都有稳定的发电效率,然而在正午强光直射下,发电效率低;多晶硅电池的成本比较低,发电效率比较高。如果能将三种电池混合使用,使其优势互补,效果将会更好。用太阳能电池板,放在阳光下,空载时电路输出电压约为4.2V,当空载输出电压高于4.2V时可适当减小阻值,反之增加阻值。电路工作电流跟太阳光的强弱有关,正常时约为40m A,这时充电电流约为85m A。
控制电路要求当锂离子电池电压不足时,采用太阳能对内部锂离子电池充电,也可采用USB接口对锂离子电池充电。当采用USB接口对锂离子电池充电时,显示充电状态、充电满状态。
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