太阳能手机锂电池充电器

2012-11-14冯强吴秀祥程浩张遂愿高巧梅

中国科技信息 2012年10期

关键词：充电器电感闭环

冯强吴秀祥程浩张遂愿高巧梅

中国矿业大学 100083

太阳能手机锂电池充电器

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中国矿业大学 100083

本文介绍了一种将太阳能作为能源给手机锂电池充电的工作原理，设计思想，和理论计算方法。

Boost闭环；充电模块；倍压电路；太阳能电池板

Boost closed-loop; charging module; voltage double circuit; solar panels

引言

太阳能是地球上最直接，最普遍，最清洁的能源。太阳能作为一种巨大的可再生能源，每天到达地球表面的辐射量大约等于2.5亿万桶石油，可以说是取之不尽，用之不竭。

在如今数码产品功能日益完善的情况下，各种数码产品比如手机，平板电脑等产品的电池供电以及续航能力并不能满足人们的需求。因此本文设计了一种利用Boost变换器作为控制电路，使太阳能电池板不受光照条件的影响而能有效给手机锂电池充电的太阳能充电器。理念是方便快捷，设备体积携带方便，使用简单，非常适合人们外出旅游等室外活动时使用。1.总体系统设计介绍

见图1，系统由太阳能板、Boost变换器、Boost变换器控制芯片驱动电路、充电模块、手机电池几部分构成。其中Boost变换器控制芯片驱动电路是由倍压电路和一节5V电池构成。

系统工作原理是利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池板，在有光的条件下将光能转化为电能。本设计利用4块并联的太阳能板，以使在光照较弱时也可产生足够的功率进行充电。太阳能电池板在光照条件变化时输出电压会有1～4V的变化，经过Boost变换器将电压升压并稳定到5V，经由充电模块按照充电曲线安全有效的给手机电池充电。

图 1 太阳能充电器的总体结构图

2 .Boost变化器闭环控制设计

2.1 Boost主电路参数计算

表 1 Boost电路主要工作参数表

主电路参数（占空比，电感，电容）具体计算过程如下：

占空比D的计算：稳定工作时，每个开关周期导通期间电感电流的增加等于关断期间电感电流的减少，即：

将Vi、Vd以及Vo等参数带入公式（1）和公式（2），得D=0.835。

电感量L的计算：本设计参考了文献[1]有：

将Vi、f、D以及Io等参数带入公式（3）得，L=25uH。由于增加电感量可以减小磁滞损耗，另外考虑输入波动等其他方面影响取L=30uH。

电容值C的计算，本设计参考了文献[1]，且电容选择为陶瓷电容，故 ESR可以忽略

将Io、D、f以及Vpp等参数带入公式（4），得C=20uF。

2.2 Boost变换器闭环控制的设计与仿真

考虑到boost电路要能稳定地输出5V电压，故必须在boost变换器上加负反馈构成闭环系统，另一方面也提高了动态性能。开关电源的主要控制方法有电压型控制和电流型控制方法，本文在综合考虑了两者的特点后，引入电感电流作为反馈量，并使用电流型闭环控制芯片TL2842来进行闭环控制。

TL2842具有下列特点：

工作电压为16～30V，工作电流约15MA。芯片内有一个频率可设置的振荡器；一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构，特别适用于MOSFET的驱动；一个固定温度补偿的基准电压和高增益误差放大器、电流传感器；具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐个脉冲限流控制的PWM比较器，最大占空比可达100%。另外，具有内部保护功能，如滞后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等。

由TL2842设计的boost电路属于电流型控制，电路中直接用误差信号控制电感峰值电流，然后间接地控制PWM脉冲宽度。

这种电流型控制电路的主要特点是:

输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化，电感电流自动调整而不需要误差放大器输出变化，改善了瞬态电压调整率；

电流型控制检测电感电流和开关电流，并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比较，控制PWM脉宽，由于电感电流随误差信号的变化而变化，从而更容易设置控制环路，改善了线性调整率；

简化了限流电路，在保证电源工作可靠性的同时，电流限制使电感和开关管更有效地工作。

下面用PSIM对boost变换器进行仿真，电路拓扑结构如图2。

电路稳压过程由两个闭环来控制:

闭环1—输出电压首先通过2个5K电阻分压，为了减小控制电路对输出电压的影响，分压后需要在反馈给误差放大器的前级添加电压跟随器，通过这种高阻输入的方法来达到既反馈电压，又避免相互干扰的目的。反馈回来的电压与TL2842内部的2.5V基准电压比较后产生误差电压，误差放大器控制由于负载变化造成的输出电压的变化。

闭环2—Rs为开关管源极到公共端间的电流检测电阻，开关管导通期间流经电感L的电流在Rs上产生的电压送至PWM比较器同相输入端，与误差电压进行比较后控制调制脉冲的脉宽，从而保持稳定的输出电压。Boost变换器闭环控制设计方法参考了文献[2]。

输入电压为固定直流电压（1V）时，输出电压仿真波形如图3;输入电压在15ms时从1V跳变为4V时，输出电压仿真波形如图4。可见波形效果是不错的，几乎没有超调量，能很快地达到稳定。当电压瞬间突变时，输出电压几乎不变，从而能够保证充电器在光照条件突然改变时能继续正常工作。