便携式太阳能手机充电器设计

庄琼云

摘 要：文中设计了一款基于单片机控制的便携式太阳能手机充电器。主电路中的DC/DC变换电路采用BUCK电路的开关驱动电路，控制部分基于STC12C5A60S2单片机来实现太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT），从而实现对手机电池的充放电控制。

关键词：太阳能电池；充电器；BUCK电路；STC12C5A60S2；MPPT

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

随着传统能源的逐渐枯竭及其所带来的环境污染问题日趋严重，致使人们越来越关注具有取之不尽、用之不竭特点的可再生能源——太阳能。近年来，太阳能光伏电池可以直接将太阳能转化为电能，成为当下学术界和产业界的新宠。随着开发的不断深入，各种太阳能电池产品进入了人们的日常生活。手机作为人们日常生活中必不可少的便携式电子产品，对蓄电能力的要求越来越高，这将促使太阳能光伏电池这一便携式可随时随地充电的装置成为手机的最佳拍档。

本文设计了一款便携式太阳能手机充电器，主电路部分基于BUCK电路的开关驱动电路，控制系统的核心部分是单片机控制部分，该部分主要以STC12C5A60S2为核心完成对系统的控制，并追踪太阳能电池的最大功率点输出。

1 太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电利用半导体PN结的光生伏特效应将太阳光能直接转换成电能。PN结吸收太阳光能在空间电荷区生成非平衡状态下的电子-空穴对，在内建电场的作用下，电子和空穴被电场分离，过剩的电子积累在N区中，过剩的空穴积累在P区中，在PN结两侧就形成了光生电动势，其方向与空间电荷区电场相反，这就是“光生伏特效应”。其示意图如图1中的插入图所示。当PN结两侧外接负载时可对外供电，其输出功率受外部环境光照强度影响，光照强度越大，输出功率随之增大，其输出功率与输出电压的关系（P-V）曲线以及与光照强度的关系如图1所示。该P-V曲线可视为一个二次函数，每一个光照强度下都有一个极值，极值点处的功率值即光伏电池的最大功率输出，称为最大功率点（Maximum Power Point，MPP）。通过控制算法调控当前太阳能电池最大功率输出与当前阻抗，使电池始终工作在最大功率点附近，这个过程称为最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。通过最大功率跟踪技术使太阳能电池的输出功率维持在最大功率点附近，以有效提高系统的效率。

2 系统总体设计方案

2.1 电路的选择

在太阳能光伏发电系统中，太阳能光伏电池和负载的适配器通常利用DC/DC变换电路来实现，主要起如下作用：

（1）跟踪系统最大功率点，使系统工作在光伏电池的最大功率点处；

（2）为手机锂电池充电。

当前最大功率跟踪控制器使用的DC/DC变换电路最常用的三种[1]分别为降压型（BUCK）变化电路，升压型（BOOST）变换器和升-降压型（BUCK-BOOST）变化电路。

BUCK变换器属于最基本的DC/DC变换器，其优点是电路简单、动态性能好，缺点是工作在断续状态下，需要外加储能电容才能实现在连续状态下工作。光伏电池在功率开关断开时对储能电容充电，使光伏电池始终处在发电工作状态，如此通过脉冲宽度调制（PMW）来控制太阳能光伏电池的输出电压，从而使系统处在光伏电池的最大功率处，以实现系统的最大功率的追踪控制[2]。

BOOST变换器相比BUCK变换器结构简单，其功率开关管一端接地，驱动电路也比较简单方便。且BOOST变换器可以始终在电流连续的状态下工作，只要较大电感输入忽略电感上的纹波。缺点是BOOST变换器较低的输入电压会导致输入电流较大，线路损耗过大。

BUCK-BOOST变换器结合上述两种变换器的部分优点，既可以升压也可以降压。但其输入输出电流都有脉动，电磁干扰大且输出纹波较大，因此需要加入滤波网络，不仅使电路更加复杂还增大了损耗。另外BUSK-BOOST变换器的功率开关管不接地，驱动电路也比较复杂[1]。

上述三种DC/DC变换电路在工作中存在两种导电模式，分别为电感电流连续（CCM）模式和电感电流不连续（DCM）模式。由于该款充电器是为手机上的锂离子电池充电，太阳能电池的输出电压要高于充电电压，因此我们选用BUCK变换器作为最大功率点追踪控制器。图2所示为BUCK电路的原理图，由开关管S，电感L，续流二极管D，储能电容C及负载R构成。通过分析电路原理[3]可推导出在CCM模式下输出电压和输入电压的关系：V0=Vi×q；q为功率开关管的控制占空比，由该推导公式可知，通过控制占空比可控制输出电压。

输入端的C1为大滤波电容，可以降低系统电路中的脉动电流幅值。L1为储能电感，同时具有平波作用。D1为续流二极管，C2为输出滤波电容，可进一步降低输出电压的纹波。具体参数设定如下：

（1）电感设计：使电路处在CCM模式下，通过分析BUCK电路可以得到：。通过电路的各个参数可以得出临界电感值为LMAX=0.25 mh。

（2）输入的滤波电容：47 μF/250 V和2.2 μF/250 V的电容并联，用以滤除高频干扰和储能。

（3）输出的滤波电容的选择：通过对BUCK电路的分析得到公式：。由此求出C2=125 μF，通过实际实验发现，使用100 μF的电容效果更好，因此采用100 μF的电容作为输出端的滤波电容。

（4）功率开关管和续流二极管：MOS管作为开关管具有开关速度快，损耗小等优点，故采用IR360作为电路的功率开关管。由于BUCK电路的开关速度较快，于是便采用FR203二极管作为续流二极管。

（5）电压检测电路：采用电阻分压后由STC12C5A60S2单片机[4]的AD模块采集电压得到输出的电压值。由于单片机的采集电压不可超过5 V，因此使用两个相同的电阻把输出电压降低一半来采集处理。

（6）电流检测电路：我们采用采样电阻采集电压的方法来检测电流。使通过RS电流检测电阻的电压通过AD8210电流检测芯片，输出一个电压值由单片机自带AD模块检测电压，从而获取电流值。

（7）驱动电路的设计：采用光耦驱动的方式来驱动功率开关管。

根据上述分析与设计，所示为太阳能光伏手机充电器系统的总电路图，包含了BUCK变换器、STC12C5A60S2单片机控制电路、AD8210电流检测电路和稳压输出电路。该设计的手机充电器输出电压设定在5.2 V，最大电流不超过1 A。

2.3 最大功率点的追踪

根据图1所示的太阳能电池板的P-V曲线可以看出，在曲线中存在一个最高点，即太阳能电池板的最大功率点Pmax，P（V）与P（V+△V）的差值为△P= P（V+△V）-P（V），其中P（V）和P（V+△V）分别代表光伏电池的输出功率在输出电压V和增加一个△V增量后的值；在最大功率点左侧，△P >0；而在最大功率点右侧，△P<0。利用以上特性，通过扰动太阳能电池板的输出电压来实现最大功率点跟踪的控制策略称之为扰动观察法[5]。扰动观察法利用步进搜索的思路，从初始状态开始，每次对输入信号增加或减少一个有限变量，然后测量由于输入信号变化引起的输出变化的大小及方向，确定方向后按需调节被控对象的输入，实现最大功率输出点的跟踪与控制。

本设计采用扰动观察法实现太阳能电池板最大功率点的跟踪，其流程图如图5所示。对单片机AD模块采集的电压值与AD8210电流检测芯片得到的电流值相乘获得当前输出电压下的功率P（V），通过减小或增大PWM（即改变PWM来改变占空比，从而调整当前太阳能电池板输出的电压）来对输出电压增加△V，从而检测出输出电压为V+△V时的功率值P（V+△V），比较电压增加前后的功率值的差值得到当前的△P值，比较电压增加前后的PWM的差值得到当前的△PMW值。

输出功率与光照强度近似线性关系，这与太阳能电池板的最大功率与光照强度的关系基本一致，说明基于扰动观察法调节PWM可追踪到太阳能电池板的最大功率点输出。而电压输出基本可稳定在5.2 V左右，如图7所示，说明基于STC12C5A60S2的BUCK电路实现了太阳能电池的稳压输出。由以上分析可知，提高太阳能手机充电器的工作效率，加快完成充电过程，需满足以下两个条件：

（1）增加太阳能电池接收的光照强度；

（2）太阳能电池要始终工作在最大功率输出点附近。经过测试及分析，本文设计的便携式太阳能手机充电器运行状态良好，能较好地实现本设计意图。

4 结 语

本文采用BUCK电路的开关驱动电路实现便携式太阳能手机充电器中的DC/DC变换。基于STC12C5A60S2单片机，通过调节PWM来扰动输出电压，使太阳能电池在不同光照强度下始终工作在最大功率点附近，且工作电压稳定在5.2 V左右，实现稳定、高效的手机电池太阳能充电控制。

参考文献

[1]徐义鑫.小功率光伏供电系统及最大功率点跟踪控制研究[D].秦皇岛：燕山大学，2011.

[2]林倩，胡耀武，胡丽冰，等.基于51单片机的电动车手机充电器设计[J]. 物联网技术，2013，3（2）：44-45.

[3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4]张毅刚.单片机原理及应用[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[5]史文华.光伏系统最大功率点跟踪控制方法研究[D].北京：华北电力大学，2012.