环保型电容储能式电蚊拍的设计与实现

谢应然，杨元凯，何义植

（1.佛山职业技术学院 广东 佛山 528137；2.佛山拓世电子科技有限公司 广东 佛山 528137）

目前我国每年生产超过180亿粒电池，而回收率不够2%。这些废旧电池随意丢弃在生活垃圾中，既污染了环境，又浪费了宝贵的金属资源[1]。而废旧电池回收处理技术高、利润低，再生利用率回收进程就目前并不乐观。

近年来由于得到国家节能减排政策的大力扶持，超级电容行业也如雨后春笋般成长起来。超级电容器（EDLC）是一种电化学元件，它的功率密度远高于锂电池，且储能过程是可逆的，因此EDLC反复充放电可以达到数十万次；寿命达10年以上，且不会造成环境污染。超级电容的储能具有超功率密度，EDLC有望在短期内部分或全部替代传统的电源供应，成为一种主流的电源器件；EDLC可以广泛的应用于消费类电子产品的电源，其应用从计算机、手机、数码照相机/摄像机、无绳电话、家用电器到电动玩具、电子手表、电筒以及各类便携设备等不一而足[2]。

电池在人们的生产和生活中不可或少，然而电池的廉价轻便等特点使成千上万的废旧电池被随意的丢弃，对环境的污染日益严峻；针对消费电子产品电池污染问题，既要对废旧电池回收进行循环利用，又要开发高效、低耗、低污染的新型环保电源产品，这是落实科学发展观，构建资源节约型社会的重要举措。

环保型电容储能式电蚊拍改进原有电蚊拍的优点，更为重点是突破传统做法，应用超级电容代替传统（蓄电）电池作为储能装置，革新传统的储能形式。用电池作电蚊拍电源，每年需要更换2次以上；用充电电池作电蚊拍电源，充电电池一般1～3年后失效，电蚊拍由此可能废弃。超级电容具有诸多特点：寿命超长可千万次反复地充、放电；安全可靠，储能巨大，充放电效率高（98%）；超级电容器是绿色能源（活性炭），不污染环境；相对成本低，超级电容器价格比铅酸电池高一倍在大量生产后价格还会下降，但超级电容器的寿命比铅酸电池高20～200倍，这点对替代现有很多电子产品电源而产业化非常重要[3]。电容储能式电蚊拍源于超级电容这些卓越特点而设计。电蚊拍超级电容电源电路引用了电源芯片TPS61200，电源芯片TPS61200把超级电容变化的电压（0.3～7 V）可转换成3.3 V的稳定电压输出，作为电蚊拍电路组件电源。这样，电蚊拍将不再存在电池，从而可以不考虑电池寿命对电蚊拍的影响，极大延长了电蚊拍的使用时间，实现高效率节能、绿色环保、寿命长。

1 电源芯片TPS61200

芯片TPS61200系列是一款超低输入电压升压式DC/DC转换器。该系列在Ta=-40～+85℃工作温度范围内，最低输入电压为0.3 V；单个芯片就能组成升压式电源，效率较高[4]。

1.1 特点

TPS61200系列的主要特点：效率高；自动转换成升压模式或降压模式；静态电流小；输入电压在0.5 V时，在满负载时也能启动工作；输入工作电压范围宽；输入低电压锁存的电压可设定；有输出短路保护；有输出电压可设定及固定输出的3种选择（如表1所示）。

表1 TPS61200全系列芯片Tab.1 Corresponding output voltage TPS61200 all series chip

1.2 引脚排列与功能

TPS61200系列的引脚排列如图1所示，各引脚功能如表2 所示[5]。

图1 TPS61200的引脚排列Fig.1 TPS61200 pins are arranged

表2 TPS61200引脚功能Tab.2 TPS61200 pin function

1.3 主要技术参数

TPS61200系列主要极限参数：输入电压为0.3～7 V（包括VIN、L、VAUX、VOUT、PS、EN、FB、UVLO 端）。 建议工作条件：VIN=0.3～5 V。TPS61200系列主要电特性参数：可调输出电压为1.8～5.5 V；固定3.3 V输出电压允差±0.03 V；固定5.0 V输出电压允差 ±0.05 V；内部平均开关电流限制为1 350 mA；静态电流典型值50μA；关闭状态时耗电小于2μA；开关管开关频率 1 250～1 650 kHz。

TPS61200的应用电路如图2所示。

图2 TPS61200典型应用电路Fig.2 TPS61200 typical application circuit

图2 是一种输出电压可设定的电路。输出电压VOUT与外接电阻分压器R1、R2有关，如下式所示：

式（1）中，VFB=500 mV，R1可设为 1 MΩ，则可求出 R2值。例如，要求VOUT=3.3 V，代入上式可求出R2=178.57 kΩ，可取标准电阻值180 kΩ。

2 超级电容

世界著名科技期刊美国《探索》杂志2007年1月号，将超级电容器列为2006年世界七大技术发现之一，认为EDLC是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池[6]。超级电容可取代电池作为小型用电器电源，电动玩具、数字钟、照相机等均可能采用超级电容器作为电源。因EDLC的循环寿命长，综合考虑其作为电源比采用电池更合算。

下面就本例设计针对EDLC存贮电量进行分析：电蚊拍供电时间与EDLC存贮电量多少有直接关系，对EDLC存贮电量分析设计：两电容采用串接，每个电容选用容量100 F，则电容容量为50 F。设计满电压5.0 V，50 F EDLC储存电量为：50 F*5.0 V=250 C（库仑），电压下限是 0.3 V，电容放电的有效电压差为5.0 V－0.3 V=4.7 V，所以有效电量为235 C。维持供电时间计算：235 C=235 A*S（安秒）=235 000 mAS（毫安秒）=65 mAh（毫安时），若电流消耗以120 mA提供给电蚊拍升压电路，则供电时间为：65 mAh/120 mA=0.54 h=0.54*60 min=32 min（维持时间32分钟）。

电蚊拍设置了快速充电功能，充电时间主要取决于充电电源性能，充电电流越大，充电时间就越短。根据上面计算分析可得出，充满电后电蚊拍至少可持续工作半小时以上。

3 电路设计

3.1 设计思路

使用EDLC能存储电能，工作电压随输出电流会逐步变低，不能直接作为电源来使用，所以我们对EDLC辅以转换电路及附加电路优化设计来实现稳压，EDLC及转换电路作为稳压电源替代电池，电蚊拍电路由稳压电源供电，保证其正常工作。本设计对充电端口进行了完善，更加人性化，不仅设有220 V交流充电端口，而且还设置了快速充电口，2～3分钟充电时间就能充满。本设计充电口采用micro USB插座，可方便用手机充电器、电脑USB口进行充电。

3.2 电路工作原理

电路原理图如图3所示。电路由充电部分、转换电路、电蚊拍电路3部分组成。

充电部分由阻容降压、整流、过压保护电路及稳压模块组成。

阻容降压电路[7]由 C1、R1、R0等组成，电容 C1的作用为降压和限流，由电容的特性知，其容抗XC为：

式（2）中，XC：表示电容容抗 f：表示输入交流电源频率C：表示降压电容的容量。

流过降压电容的电流为：

式（3）中，I：流过电容的电流，U：表示电源电压，R：表示等效负载电阻值。

图3 超级电容储能式电蚊拍电路Fig.3 EDLCelectric mosquito swatter circuit principle diagram

在220 V、50 Hz的交流电路中，当负载电压远远小于降压电容二端的电压时，可由式（3）知，电流与电容的有下面近似关系：

式（4）中，电容的单位为μF，电流的单位为mA。

表3为在220 V/50 Hz的交流电路中，理论电流与实际测量电流的比较：

表3 理论电流与实际测量电流的比较Tab.3 The comparison of theory and actual measuring current

电阻R1为泄放电阻，C1选用2.2μF的电容，电容器与负载一定时，电路具有恒流特性；因负载电压相对不大，充电电流可估算150 mA左右。R0是限流电阻，对浪涌电流有抑制作用。通过阻容降压后，再将交流电压整流成脉动的直流电压，提供给由LM317构成的稳压电路，稳压电路用来限制超级电容的充电电压。

过压保护电路由 SCR1、R4、Z1、R2等构成。 当超级电容达到规定充电电压值时，三端稳压电路不再给超级电容充电，三端稳压块输入脚电压会急剧升高，LM317很容易被击穿。但是当电压升高到设定值（由Z1稳压值确定）时，会触发单向可控硅导通。同时，即在继续市电充电状态，也不会对电路由任何影响，起到过充保护作用（见图4变化波形B）。三端稳压块输入脚电压会大大降低，LED指示灯点亮，指示超级电容已充满。

稳压模块采用的是可调LM317稳压电路，LM317的调整后的输出电压5.5 V，这样可以在市电充电时超级电容不会过充电，保证超级电容充电电压在5.0 V范围内。

用USB口充电的时，手机充电器与电脑USB口电压在5 V或以下，给超级电容充电电压总是在5 V以下；超级电容充电电压在规定范围内，保证了其工作的安全性。

转换电路主要由TPS61200及外部元件构成升压电路组成。当超级电容器的电压在0.3～5.0 V时，转换电路能将电压转换成3.3 V的稳定电压，提供给电蚊拍电路使用。TPS 61200输出的稳定电压还供给照明电路使用，照明电路由R5、R6、R7实现恒流供给照明LED灯，保证照明LED稳定的工作。

电蚊拍电路[8]由振荡电路、倍压整流电路构成。稳压模块提供3.3 V电压，振荡电路产生交流电压，通过倍压整流产生高压直流电压，提供给电蚊拍网使用，实现高压灭蚊。

3.3 仿真分析

下面对充电电路进行仿真，为利于观察，将超级电容改小容量，仿真测试三端稳压块输入脚与超级电容电压波形变化情况。

参考图3，将示波器的输入通道A连接到超级电容的正极，这时测得的波形是超级电容充电电压的变化情况；将示波器的输入通道B连接到三端稳压块LM317输入脚，这时测得的波形是整流出来的脉动直流在充电过程中脉动电压的变化情况。如图4所示，脉动直流电压是一个缓慢升高的梯形波，超级电容被充电，电压缓慢上升。超级电容电压充电达到满值时，三端稳压块输入脚电压会急剧升高，升高到设定值时，会触发单向可控硅导通。参见游标坐标位置变化波形，继续市电充电状态，超级电容充电电压维持不变（A通道波形），绿灯亮指示市电充电已满。在满电状态下，从波形可看出整流后的电压不高，电源部分功耗很低，不会对电路有任何影响，起到过充保护作用。由上分析可知该电路设计满足控制要求。

图4 电压波形变化情况Fig.4 LM317 input voltage and EDLCcharging voltage waveform changes

4 结 论

针对本文设计的电蚊拍经过试用测试，达到了预期的效果，快速充满一次电的时间大概在2分钟左右，而充一次电可以连续使用两到三个小时。使用蓄电池储能的电蚊拍一般只有2～3年时间寿命，而新产品使用寿命与EDLC等同，有10年以上。按此计算，利用新技术电蚊拍产品不仅环保，而且相对要省钱3倍以上。因此，新产品在市场具有较强的竞争力与巨大的社会效益。

[1]盛丽俊.废旧电池回收存在的问题与对策探析[J].绿色科技，2012（4）:216-217.CHENG Li-jun.The problem and countermeasure on recovery and treatment of the waste battery[J].Journal of Green Science and Technology，2012（4）:216-217.

[2]张琦，王金全.超级电容器及应用探讨[J].电气技术，2007（8）:67-70.ZHANG Qi，WANG Jin-quan.Super capacitor and discussion of its application[J].Electric Technology，2007（8）:67-70.

[3]王洪礼，何志琴，李德菊.超级电容器与蓄电池性能的比较分析[J].现代机械，2013（3）:63-65.WANG Hong-li，HE Zhi-qin，LI De-ju.Comparative analysis of supercapacitors and battery performance[J].Modern Machinery，2013（3）:63-65.

[4]黄沛昱.基于TPS61200的太阳能电能收集充电器设计[J].重庆邮电大学学报，2013，25（4）:501-503.HUANG Pei-yu.Solar energy collection charger design based on TPS61200[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications，2013，25（4）:501-503.

[5]秩名.超低输入电压升压式DC/DC转换器TPS61200介绍[EB/OL]. （2012-12-29）http://www.elecfans.com/dianyuan/303487.html.

[6]于凌宇.新时代革命性电源超级电容器现状与展望[EB/OL]. （2008-11）http://www.365powernet.com/library/technology_472.html.

[7]陈艳华，董晓勇.一种小家电产品应用的电源-阻容降压电源.2006年中国家用电器技术大会论文集[C].北京：中国轻工业出版社，2006：464-268.

[8]孙德印.雅格YG-6838“电蚊拍”的电路原理与维修[N].电子报，2011-06-12.