折叠式野外太阳能充电器设计与实现

江 汉，阚春荣，汤 明，杨 勇

（解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007）

随着手机等移动电子设备的日益普遍以及功能增多，电池储能的容量显得十分有限。野外作业等远离市电的人，会经常遇到手机电池耗尽尴尬情况。目前，市面上出现了一些太阳能充电移动电源设备，但都存在一些缺陷[1-2]：有的充电器不具备稳压保护电路，输出电压会受光照强度的影响，输出电压不稳定；有的设备无板载锂电池等储能设备，只能在有光照条件下对外充电，使用不方便。

本文针对野外作业的需求，设计了一种高效的便携式太阳能充电器，该设计包括光电转换、稳压升压输出、冲放电保护电路等模块。设计的充电器既可将太阳能储存在自带锂电池里也可直接对外充电，系统输出电压稳定，实现了无市电场合下的绿色能源转化和利用，极大方便了野外作业应急电源的需求。

1 系统设计

1.1 整体方案设计

折叠式野外太阳能充电器的整体设计方案如图1所示。系统主要组成包括：折叠式太阳能板、稳压控制电路、锂电池保护电路、升压电路和大容量锂电池。为了尽可能的增大充电的输出功率，系统采用了折叠式的光电转换板，满足野外作业对便携性、稳定性和可靠性的需求。

1.2 充电电路设计

图1 系统整体方案设计Fig.1 Architecture of system design

充电电路采用专用充电芯片TP4056及其外围电路组成。TP4056是专门为锂电聚合物电池而设计的线性充电芯片，利用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。理论和实践证明[3]，锂电池的充放电，是一个复杂的化学过程，锂电池一般是分三阶段进行充电，典型的充电曲线如图2所示。

图2 锂电池充电理论曲线Fig.2 Theory curve of Li-Lion battery charge process

当电池电压小于涓流门限充电电压（3 V）时，用较小电流（＜100 mA）进行预充电；当电池电压大于涓流门限充电电压且小于浮充电压（4.2 V）时，用较大电流行恒流快速充电；当电池电压上升至浮充电压，进行恒压充电，在充电电流减小至终止电流ITERM，充电完成。

充电电流由TP4056芯片的PROG管脚和GND之间的电阻RPROG确定，最大持续充电电流可达1A。TP4056包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，充电状态指示端和电池故障状态指示输出端。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，TP4056开始对电池充电管脚输出低电平，表示充电正在进行。当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束端输出高阻态端输出低电位。本文应用TP4056设计的锂电池充电电路如图3所示。

图3 基于TP4056的充电电路设计Fig.3 Charge circuit based on ICTP4056

1）充电电流的设定

充电电流是采用一个连接在PROG引脚与地之间的电阻器来设定，由下列公式来计算：

RPROG与充电电流的关系也可参照简表1。

表1 可调节电阻阻值与充电电流关系参考表Tab.1 Reference resister value and charge current

2）充电终止的判定方法

电池电压在达到最终浮充电压之后，当充电电流降至设定值的1/10时，充电循环被终止。该条件是通过采用一个内部滤波比较器对PROG引脚进行监控来检测的。当PROG引脚电压降至100 mV以下的时间超过tTERM（一般为1.8 ms）时，充电被终止。充电电流被锁断，TP4056进入待机模式，此时输入电源电流降至55μA。

在待机模式中，TP4056对BAT引脚电压进行连续监控。如果该引脚电压降到4.05 V的再充电门限（VCHARG）以下，会激活一个充电循环开始并再次向电池供应电流。

1.3 锂电池保护电路

本文采用锂电池充放电专用保护芯片DW01+和场效应管（MOSFET）8205A来设计保护电路。DW01+是一个锂电池保护电路专用芯片，具有高精确度的电压检测与时间延迟电路，具有过放、过冲、短路检测等功能。8205A是N沟道增强型功率场效应管，具有快速开关、超低导通电阻的特点，适用于设计电池保护或低压开关的电路。本文设计的保护电路原理图如图4所示。

图4 锂电池保护电路工作原理Fig.4 Protect circuit of Li－Lion battery

限于篇幅，以下只就过充电保护和过放电保护过程做简要的描述，其他过程可参考DW01+和8205A的数据手册。

正常工作状态：

该电路主要由DW01+和N沟道MOSFET管的8205A组成， 其中 8205A可以看成是两个开关 （S1－D1，S2－D2）当DW01+的 Vcc管脚电压在正常范围内 （2.5V～4.3V）时，DW01+的第 1、3脚输出高电平，即 8205A的第5脚、第 4脚对应的MOSFET管G极处于高电平，等效的2个开关都导通，电池正常放电。

过放保护状态：

电池通过负载进行放电，电压下降，DW01+监测电池电压Vcc低于2.3V时DW01+的OD管脚输出低电平，8205A的等效开关S2－D2断开，放电停止。当DW01+经CSI检测到P+、P－间的充电电压后，OD管脚重新输出高电平，8205A的等效开关S2－D2导通，电池恢复放电。

过充保护状态：

电池充电时，电压升高。电压下降，DW01+监测电池电压Vcc低于2.3V时DW01+的OC管脚输出低电平，8205A的等效开关S1－D1断开，充电停止。

1.4 锂电池升压电路

锂电池的放电电压为3.7～4.2 V，而系统对外放电电压为5 V，需要一个高效升压电路实现转换。系统采用SX1315系列的开关电压转换器件完成电压升压电路设计。

图5 升压原理图Fig.5 Principle block diagram of boost

升压转换器升压原理如下[4]：升压工作过程可以分为两个阶段:充电过程和放电过程。充电过程：当Lx开关驱动晶体管导通时，输入电压VIN电源对电感充电，此时二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流i1按照一定的比率线性增加，这个比率与电感量L大小有关，随着电感电流增加，电感中储存了大量能量。放电过程：当Lx开关驱动晶体管导通时截止时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会在瞬间变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的通路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始以电流i2给电容CL充电，电容两端电压升高，此时电容电压可达到高于输入电压的值VOUT。

2 系统功能测试

2.1 实测充电曲线

利用万用表的电流档和电压档对本文设计的充电器进行了性能测试，在阳光充足的条件下对容量为1 000 mAh的锂电池充电，实测太阳能电池组开路电压5.6 V，最大输出电流532 mA。充电数据每5分钟测量一次，选出有效样本点绘制的实测曲线如图6、7所示。从实测图可以看出充电过程基本经历了涓流预充电、恒流充电、恒压充电直至充电终止的过程，和图2的理论充电曲线基本吻合。

图6 冲电电流随时间变化曲线Fig.6 Charge current curve vs.time

2.2 升压效率测试

通过测量锂电池电极两端和USB放电口的电压电流可计算升压电路的效率，测量的数据如表2所示。从结果可以看出，升压效率基本保持在85%以上，满足了高效放电输出的需求。

3 结 论

本文设计制作的可折叠野外太阳能充电器具备稳压调节电路，并具备锂电池保护电路，具有输出电压稳定，使用安全可靠等特点，可广泛应用于野外作业应急充电场合。

图7 冲电电压随时间变化曲线Fig.7 Charge voltage curve vs.time

表2 升压效率测试数据表Tab.2 Efficiency test result of boost

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