一款太阳能产品的设计

沈华东

【摘要】采用LM324、LM2725等集成电路，由纯硬件构成，不含单片机，设计一款太阳能充放电控制电路，有充电过压保护，放电欠压保护，电量指示，稳压电源等组成。

【关键词】太阳能充放电控制电路;12V/7AH蓄电池;12V/3W灯泡;光伏板

一、前述

太阳能是清洁能源，充分利用太阳能将是科技研究的重量方向，设计一款便携式太阳能产品，解决人们外出旅行、船上用电、应急照明、手机充电等的需要。具有非常大的实用价值。

二、设计思路

1.产品的定位及组成

家用照明为主，可户内户外方便使用。

配一只12V/7AH蓄电池。

配一只12V/3W高亮度LED灯泡（相当于10W普通节能灯），因电池充满电LED灯泡一次可亮28H，基本满足户内户外要求。

配一块光伏板，光伏板要求：光伏板的开路电压VOC不高于蓄电池电压的1.8倍，即≤21.6V，光伏板的工作电压VMP不低于蓄电池电压的1.2倍。即≥14.4V，最大充电电流IMP≈0.1C（C是电池容量），这样可以最快10H充满蓄电池。考虑到价格、方便携带等选用一款多晶光伏板，尺寸小（0.3M*0.25M），重量轻，参数：VOC=21.6V  VMP=17.3V  IMP=0.58A。

2.电路板的功能

a.有充电过压保护，放电欠压保护，短路过流保护，电池电量指示功能等。

b.有12V输出接口及USB输出接口（可给手机充电），考虑到LED灯内有稳压驱动电路，可工作于7-20V，故电路板12V输出不作稳压处理，只对USB的5V输出作稳压处理。

c.太阳能充电优先功能，即在关闭总开关时，如有太阳能光照射也会自动进行充电，充满电自动关闭，保护电池。

d.由于充电优先功能，必然会有一个自耗电的产生，这就要求这自耗电足够小，以防长时间不充电会耗光蓄电池，而损坏蓄电池（因蓄电池的正常电压为10.8V—14.9V，大于或小于这电压会严重损坏蓄电池），设计自耗电≤0.15MA，这样就能维持5年（h=7ah/0.15ma=46600h=5年），从而可乎略不计这自耗电。

e.充电方式的选择，太阳能充电可有多种方式：buck-boost电路、MPPT方式、单片机控制方式、普通集成电路组合而成等。buck-boost电路虽然很好，但相对于这个电路，因光伏板电流较小，反而会效率不高，甚至启动困难，电路复杂。MPPT方式电路太复杂。用单片机需要编写程序，技术水准要求较高。用普通集成电路组合成本低，电路简单，适合大部分人，故选用这种电路设计。

三、电路设计

电路设计如图1所示。

1.充电保护电路

主要由U1、Q1、Q7、D3组成（D1为充电指示灯，D3是TL431作2.5V基准电压，D2、D12为防反向充电二极管），当S1开关关闭，光伏板的电压通过D13一路给U1的4脚供电，另一路通过R19接到D3产生2.5V基准电压，输入到U1的3脚。同时蓄电池的电压经过R7、R8分压输入U1的2脚，当蓄电池电压低于13.9V时，U1的2脚电压小于3脚，通过内部比较器从1脚输出高电平，使Q1导通，就使Q7导通，D1亮，光伏板通过Q7、D2、D12对蓄电池充电。当蓄电池电压高于14.9V，U1的2脚电压大于3脚电压，1脚输出低电平，使Q1截止，就使D1灭Q7截止，充电停止。

由于蓄电池充电有虚电的特性，当蓄电池一充到14.9V时，电路会马上关闭，蓄电池电压会马下下降，而一旦电压低于14.9V，电路又会马上充电，一充电又马上達到14.9V，电路又会马上关闭，电路就会产生高频振荡，如图2所示：

图2

为解决这个问题，充电电路增设了回滞电路，由R52、R53、D11组成。当蓄电池电压低于13.9V时，U1的1脚为高电平，充电状态，同时D11截止，U1的3脚基本为2.5V，当蓄电池电压大于14.9V时，2脚的电压就会大于3脚的电压，于是1脚变为0V，充电关闭，同时D11导通，于是2.5V经过R52、R53分压，U1的3脚变为2.2V，于是只有当蓄电池电的电压下降到低于13.9V，2脚的电压才能低于3脚的2.2V电压，1脚才能输出高电平，同时3脚又变为2.5V，电路又重新充电，如图3所示：

图3

电路快充满电时会有短时低频振荡，充满停振。蓄电池的充电特性变为，如图4所示：

图4

2.放电保护电路

主要由U1、Q2、Q3、Q4、Q6、D3、R27等组成。由于放电电流较大，故Q6采用一个PMOS管IRF5305。放电欠压保护电路也采用回滞电路组成，由D10、R51、R20、R21组成，通过调节R51阻值大小可调节回滞电压的大小，原理同充电电路类似，这里不再详解。主要讲解一下过流保护电路：当流过R27（0.01欧/1W）的电流大于40A，就会产生大于0.4V的电压，于是U1的5脚电压大于6脚的电压，6脚电压为0.4V（2.5X2/12=0.4V），于是7脚输出高电平，Q3导通，C8迅速放电，9脚为0，使Q4导通，14脚输出0，使Q2、Q6截止，实现过流保护。由于C8与R16组成的RC充电电路具有延时作用，约3秒后C8的电压大于10脚的电压，使8脚输出0，使Q4截止，又实现了正常的放电功能，实现自恢复过流保护功能，能过调节R10、R11的比值可控制过流电流的大小，由于12V/3W的LED灯瞬间启动电流不超过30A，故设定40A即可。

3.电量指示电路

主要由U3、D4、D5、D6、D7等组成，U3的2、6、9、13脚接2.5V基准电压，当蓄电池电压大于11V时，U3的10脚电压大于1脚的电压，于是8脚输出高电平，D7亮，同理，蓄电池电压分别大于11.8V，12.5V，13V时，D7、D6、D5、D4会逐步点亮，于是就实现了简易的电池电量指示功能。如图5所示。

4.USB的5V稳压电源

采用成熟的电路，用LM2575-5.0集成电路构成，具有电路简单，效率高，输入电压宽（达7V-40V）等特点，如图6所示。

图6

四、测试

电路经设计，PCB制作，SMT贴片加工后，最后测试，接法如图7所示：

图7

测试方法：

a.可调电源2调节电压10.5—14.5V，电路板上的D4、D5、D6、D7会依次点亮。

b.USB输出接口的A=1a，V=5v。

c.可调电源2调到12V，LED灯泡短路一下，灯泡会马上灭，过3秒又会亮，测试短路过流保护功能。

d.可调电源2调到10.8V上下，LED灯会灭，回调到11.1V，灯又会亮，测放电低电压保护功能。

e.可调电源1调到9V，可调电源2调到14.9V，电路板充电指示灯D1会灭，回调到13.9V又亮，测充电过电压保护功能。

f.关闭开关，用MA表测自耗电，为0.12ma。

经全部测试后，电路板所有功能符合设计要求，最后组装完成，如图8所示：

图8

经实际试用，效果良好。

五、总结

这是一块电路简单，实用、高效的太阳能充放电电路，配上相应的光伏板、LED灯及蓄电池等，组成一款实用的太阳能产品。很适合缺电地区照明或应急使用，也是户外野营、野钓、外出旅行、船用的理想产品。节能又环保，如大力推广使用具有良好的的实用和环保意义。