一种便携式多功能小型充电装置的电路设计

赵艳新

（晋城职业技术学院机械与电子工程系，山西晋城048026）

0 引言

随着科学技术的不断发展，特别是通信技术的不断突破，移动设备已经成为人们日常生活中十分重要的一部分，而一旦在紧急情况或者特殊环境下移动设备电量用尽，将是一件非常麻烦的事情。在当下，光伏发电技术应用广泛[1]，从太阳能路灯到光伏建筑，再到大型光伏发电厂，它已经成为新能源领域的重要支柱[2]。若能把太阳能发电技术和人们的日常生活结合起来，将会为人们提供极大的便利。但是在日常生活中，光伏能源的利用还较欠缺，究其原因有两点：一方面是柔性太阳能电池[3]技术不够成熟，耐候性、稳定性较差，尚未得到广泛的商业化应用；另一方面是为日常生活中常见的直流小型负载供电而设计的光伏发电装置[4]较少。基于以上考虑，本文尝试设计一种基于太阳能电池的便携式多功能小型太阳能充电装置，可实现对手机等移动设备的全天候供电。

该装置电路设计部分包含太阳能充电电路、市电充电电路、蓄电池充电管理电路、蓄电池保护电路、升压输出电路和显示电路等，设计框架如图1所示。该小型便携式多功能充电装置设计要实现以下几个目的：1）太阳能电池直接给内置蓄电池充电；2）市电直接给内置蓄电池充电；3）内置蓄电池控制电路要实现合理充放电、保护控制、电量显示等功能；4）该装置能及时对移动设备进行机充模式充电。

图1 多功能充电装置设计框架图

1 太阳能充电电路设计

太阳能电池的发电原理是光生伏打效应：当光子照射到热平衡状态下的PN结上时，激发PN结区内的电子从价带跃迁到导带，因此产生了电子-空穴对，在内建电场的作用下再使电子和空穴分离，从而在P型和N型半导体两侧产生电压，加上外电路负载后就能形成闭合供电回路。首先，在太阳能电池内部PN结吸收光子能量形成光生电流（Iph），光照越强则Iph越大，另外结区里还存在与光生电流方向相反的暗电流（Idark），其中暗电流主要包含PN结反向饱和电流和漏电流，二者之差为输出电流。其次，开路电压决定于电子给体材料的HOMO（最高分子占有轨道）能级和电子受体材料的LUMO（最低分子未占轨道）能级之差。最后，太阳能电池的内部电阻含串联电阻（Rs）和并联电阻（Rsh），串联电阻取决于内部材料、界面本身的阻抗，并联电阻代表薄膜、金属电极表面的漏电流引起的损耗，电路如图2所示。

图2 光伏电池等效电路图

1）太阳能电池的选择。在众多的太阳能电池类型中，柔性非晶硅太阳能电池商业化应用较广，具有较好的柔韧性和可塑性，同时其良好的弱光效应能在较差的天气情况下持续进行光电转换，较适合户外使用。另外，还要达到便于携带、体积小、质量轻的要求。建议选用高效的柔性叠层非晶硅太阳能电池。

2）充电电路设计。太阳能电池输出特性受光照影响波动较大，不能直接对蓄电池供电，需要通过滤波和稳压电路处理之后才能对蓄电池充电。滤波电路采用电容并联滤波的方式，稳压部分选用7805三端稳压电路。7805三端集成稳压模块输入电压范围为7～36 V，能满足太阳能电池的输出电压要求；7805输出稳定的5 V电压。在稳压电路的应用过程中输入和输出电压差为3～4 V左右时，集成稳压模块能达到最佳的工作状态且温度不会过高，所以在实际电路中，在集成稳压模块之前串联二极管起到降压的作用，电路设计如图3所示。

图3 太阳能充电电路图

2 市电充电电路设计

本设计中的多功能充电装置可以进行市电充电。将220 V的交流电转换为5 V的稳定直流电，需要经过变压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路的处理，电路设计如图4所示。

图4 市电充电电路设计

3 控制电路部分

电芯是便携式充电装置的核心，为了便于携带和更安全，建议选用聚合物锂电池做为多功能移动电源的内置电池，它的标准电压为3.7 V，充电上限电压为4.3 V。对蓄电池的控制电路设计主要包含充电管理电路、升压输出电路和显示电路等。

3.1 蓄电池充电管理电路设计

图5 充电管理电路设计

蓄电池充电管理电路设计要求达到轻便耐用、分段充电、自动续充、自动关断、过热保护等实际应用要求。在此选择以TP4056芯片为核心进行电路设计，电路如图5所示。TP4056是一款自带散热功能的线性充电芯片，可对蓄电池进行恒流和恒压充电，其中充电电流可以根据外部电阻进行设定，最大电流可达1000 mA。TEMP管脚为电池温度检测输入端口，其关联电阻R2和R3的阻值根据电池温度保护范围和热敏电阻NTC的阻值来确定；PROG管脚为充电电流设置和监测端口，电路图中的R5根据公式计算，当恒流充电电流IBAT=1000 mA时，阻值设定为1.2 kΩ；GND管脚为接地端，VCC管脚为内部电路的电源输入端；BAT管脚5是对蓄电池正极的充电端；STDBY管脚为蓄电池充电完成指示端，当电池充满时，对应的LED2亮起；CHRG管脚为漏极开路输出的充电状态指示端，当正常充电时LED1亮起，充满后熄灭；CE管脚为芯片使能输入端。

此处蓄电池充电管理模块采用直流5 V电压供电。当输入电压大于电源电压检测阈值时，TP4056使能端处于高电平，开始对蓄电池充电，CHRG为低电压状态，此时若电池电压小于3 V，则需要小电流进行预充，预充充电电流为0.1IBAT；当电池电压超过3 V，开启恒流充电模式，电流为IBAT=1000 mA；当蓄电池电源电压升高到4.2 V时，进入恒压充电模式，降低充电电流，直至电流低于0.1IBAT，充电完成，此时CHRG为高电压状态，STDBY为低电压状态。在蓄电池使用过程中，TP4056中的BAT引脚始终处于持续监控状态，当蓄电池电压低于4.05 V时，可自动启动充电模式。

3.2 蓄电池保护电路设计

蓄电池在使用过程中，为了延长使用寿命和工作效率，必须设计蓄电池保护电路。蓄电池保护电路要求能起到过充保护、过放保护和过流保护等功能。在此设计中采用DW01蓄电池保护IC、MOS电子管8025A、电阻和电容等器件组成蓄电池保护电路，电路如图6所示。在DW01 芯片中，VCC和GND分别是芯片电源端口和接地端；CS对应充电装置负极输入端；DO和CO引脚分别对应过放电检测电路和过充电检测电路的输出端。

图6 蓄电池保护电路设计

在正常充电情况下，电池电压在2.5～4.3 V的区间内，芯片DW01管脚1和3均为高电平，8205A的栅极管脚均处于高电平状态，故mos管导通，充放电回路接通。当蓄电池处于充电状态时，内部电压逐渐升高，当电池电压达到DW01过充阈值时，保护IC判断电池处于过充状态，此时管脚CO高电平消失，Q2栅极无电压将关闭导通状态，充电回路被切断。当蓄电池处于放电状态时，内部电压会随着负载消耗而逐渐降低，当电池电压低至约2.3 V时，保护IC判断电池处于过度放电状态，DW01芯片管脚DO高电平消失，此时Q1栅极无高电压支持而关闭漏极和源极的导通状态，放电回路关断。该电路设计也可以在蓄电池对负载供电过程中出现过流甚至短路时，及时切断放电回路。当出现过流情况时，8205A型mos管导通内阻产生的管压降会增加，当管压降上升到0.2 V左右时，DW01芯片判定出现过流情况，从而及时把DO管脚输出电压降低，从而mos管关断，及时保护电池。

3.3 蓄电池升压输出电路设计

蓄电池额定输出电压为3.7 V，放电过程中输出电压缓慢降低，为了满足负载设备5 V的工作电压要求，需要采用DC-DC升压电路进行处理。在此设计中采用封装空间小、内部固定脉冲宽度调节的FP6291芯片（升压输入电压为3.0～4.3 V）作为升压电路的核心进行设计，电路如图7所示。LX管脚为转换电压输出端，GND管脚为接地端，FB管脚为误差放大器反向输入端，EN管脚开关控制使能端，VCC管脚为芯片电源输入端，OC管脚为过电流限制设定端。其中升压输出电压Vout值由R4和R5的阻值决定；最高限流IO设定由阻值R2配置；FP6291的功率最大限定为5 W，功率因数在70%～80%区间内，转化效率约为85%；L1电感值设定为3.3 μH；整流二极管选择SM340肖特基二极管，它具有快速恢复、正向压降低等优点。

图7 升压输出电路设计

FP6291具有温度保护、切压保护、关断保护、限流保护（调整范围0.5～2.5 A）等。蓄电池正常输出情况下，EN输出为高电平状态，此时三极管8050基极和发射极导通，从而集电极和发射极导通，开关打开。P沟道mos管AO340栅极与8050集电极相连处于低点位状态，VGS为-5 V，从而VSD导通，mos管源极有5 V电压输出。相比较，升压输出过程中蓄电池电压逐渐降低，升压电路输入电压降低，EN管脚电压也降低，当EN为低电平状态时，三极管关断，从而AO3401栅极和源极无启动负压，使mos管关断，停止输出。

3.4 显示电路部分设计

此多功能充电器中采用聚合物锂电池作为中间的储能装置。为了能清晰地看出蓄电池的电量状态，以TF1186集成电路芯片为核心进行蓄电池电量显示电路设计。TF1186集成电路芯片的静态能耗较小，能够对电池不同电量进行4级显示。其中25%、50%、75%、100%引脚分别对应蓄电池的4级电量显示端；BT为蓄电池电压检测输入端；GND为接地端；DISP为电量测试管脚，当没有对蓄电池进行充电时，轻触按钮开关显示电池电量；VDD为TF1186的内部电源输入端，CHG为充电信号接入口，当高电平时端口闪烁显示充电状态，电路设计如图8所示，为了给TF1186提供稳定的3.3 V直流电压，其中加入了TF6206低压差线性稳压器。

图8 电池电量显示电路

4 结语

本文尝试设计了一种多功能便携式小型充电装置的电路部分。首先，对电源部分中的太阳能充电电路和市电充电电路进行了设计，以实现多功能供电的要求。其次，对中间蓄电池储能环节进行了设计：1）蓄电池充电管理电路设计，要求达到便于携带、分段充电、自动续充、自动关断、过热保护等实际应用要求；2）蓄电池保护电路，要求能起到过充保护、过放保护和过流保护等功能；3）升压输出电路，满足负载设备5 V的工作电压要求。最后，进行了显示电路设计，满足蓄电池不同电量的指示显示和充电状态显示等要求。