太阳能充电90 W移动电源

郑永翀，秦会斌

(杭州电子科技大学新型材料与器件研究所，浙江杭州310018)

太阳能充电90 W移动电源

郑永翀，秦会斌

(杭州电子科技大学新型材料与器件研究所，浙江杭州310018)

目前，市场流行的小功率移动电源已无法满足，如笔记本等大功率数码产品的供电需求，同时单一的充电方式使得移动电源的续航能力得不到保障。根据市场需求分析，提出一款可以使用适配器、太阳电池、车载电池充电的充电方式以及输出功率多样化，且性能安全可靠的移动电源。其主要包括太阳能充电、20 V输出、12 V输出、5 V输出、电量显示电路以及保护等电路模块。

移动电源;太阳能充电;升压;90 W

随着经济发展和生活水平的提高，人们手中的数码产品不断增加，移动电源与人们的生活产生了密不可分的关系，因此移动电源将会走向飞速发展的时代[1]。但是移动电源的发展过快也存在一些问题：(1)充电方式单一，目前市场上的移动电源基本上是用市电充电；(2)安全性能不够完善，没有国家标准规范；(3)通用性差，移动电源的输出功率和便携式电子产品的输入功率不匹配[2]。目前市场上的移动电源输出电压为5 V，输出电流为1 A到2 A，这只能满足一些小功率电子产品，无法满足笔记本等大功率数码产品的使用。本文旨在提出一款充电方式以及输出功率多样化，且性能安全可靠的移动电源方案。

1 移动电源总体构架

整个系统主要由充电模块、电池模块、输出模块三部分组成。充电模块主要包括太阳电池板[3]和充电电路，既可以用太阳能充电，也可以用车载电源充电，还可以使用市电充电，解决了适应于不同场合的充电问题；电芯选用聚合物锂电池组合而成；输出模块主要包括给笔记本充电的升压模块(最大功率达90 W)，给手机充电的降压模块以及锂电池组直接输出模块。电路中还实现了欠过压保护、温度保护、短路保护等整个系统的设计框图,如图1所示。

图1 系统整体设计框图

2 电路设计

2.1 太阳能充电模块设计

太阳能充电电路通过一个经典的Buck电路实现，由Q1、D2、L1、C5组成。开关导通时，输入端电源经过开关Q1把部分能量存入电感L1，其余的能量传递到了输出端为负载提供能量。由于此时电感中有电流流过，故两端会有一个电压，从而达到了降压的目的。开关Q1关断时，输入端电源将不再给电路提供能量，此时电路中的能量由电感提供，二极管D1正向导通，将能量传递给输出端。此处电容C5为负载提供了一个稳定的电压,如图2所示。

控制电路由电池管理芯片CN3705实现。CN3705是一款PWM降压模式的充电管理芯片，输入电压范围7.5～28 V，充电电流最高可达5 A，PWM开关频率为300 kHz，具有封装外形小，外围元器件少和使用简单等优点[4]。它具有涓流、恒流和恒压充电模式。在恒压充电模式，恒压充电电压通过2个电阻对充电电压进行分压，设定其分压比值达到理想的电压值。电池端对应的电压关系式为：

图2 充电原理图

在恒流充电模式中，充电电流通过在回路中接一个较小的电阻，通过计算电阻值来设定：

在涓流充电模式中，用恒流充电15%的电流进行充电，其开启条件为电池电压低于设定恒压值的66.7%。当充电结束以后，如果没有拔掉充电器，由于电池自放电等其他因数，电池两端的电压将会缓慢下降，影响电池的用量。故此时将对电池电压继续采样，当其降低到所设置恒压充电值的91.1%时，即当电池电压降到11.48 V时，将开始新的充电周期，这样可以保证电池的饱满度在80%以上。该电路不仅可以用太阳电池板充电，还可以用适配器或者车载电池充电，输入电压范围为15～24 V。

2.2 升压模块设计

选用UC3843作为DC-DC升压的主控制芯片。UC3843是一款高性能的固定频率电流模式控制器，专为DC-DC直流变换器应用而设计，低压锁定门限为8.5 V(通)和7.6 V(断)。UC3843属于单端“图腾柱”输出，最大输出电流可高达1 A，能直接驱动MOSFET，能进行精确的占空比控制。芯片还具有输入和参考欠压锁定、自动前馈补偿、逐周电流限制、低工作电流等特点。UC3843最大工作频率为500 kHz，最大占空比可高达96%。由于其具有性能好、成本低、外围电路设计简单等优点，受到广大设计者的青睐，其特别适用于输出功率在100 W以下的小功率开关电源[5]。

图3为升压原理图。其中锂电池组、L3、D5、Q4、C16构成一个经典的Boost升压电路，开关管Q4导通时，输入端锂电池组为电感L3提供能量，此时输入端与输出端断开，负载端的能量由电容C16提供。开关管Q4断开时，电感L3储存的能量与输入端电源共同为负载提供能量[6]。此时电感两端有一个压差，其极性与电源电压一致，故能达到升压的目的。电容两端的电压不能突变，此处电容为负载提供了一个稳定的电压[7]。芯片UC3843通过输出端分压反馈回来的信号调节开关管Q4的占空比，从而达到稳定输出电压的目的。其开关频率由R22和C25设定，计算公式为：

图3 升压原理图

芯片3脚接电流反馈信号，T1为电流互感器，当电路中电流过大时，芯片自动关闭达到过流保护的目的。升压电路作为本设计的主要部分，主要为笔记本供电，输出电压20 V，最大电流达4.5 A。

2.3 降压模块设计

降压设计芯片选用LM2576T-5.0，具有十分优良的电压调整率以及负载调整率。其输出电压容差为±4%，内置两级过流保护以及过热保护电路。芯片外围电路设计主要包括滤波电容、储能电感、二极管等，如图4所示。

图4 降压原理图

以固定的52 kHz频率对NPN开关管进行开启和关断操作。当开关管导通时，电源对电感充电，电感储存能量，电流以线性方式上升。当开关管关断时，电源与电感回路断开，电感形成反向的感应电压，二极管正向导通，电感将释放能量为负载供电。当输出电压改变时，反馈电压也发生改变，通过与芯片内部的基准电压进行比较，将误差信号放大后，再与振荡器进行比较。通过改变PWM的占空比，调整开关管的导通状态，从而得到一个稳定连续的输出电压，主要为小功率数码产品供电，输出5 V，最大电流2.1 A。

2.4 保护与显示电路设计

为了更有效地对移动电源进行控制，从而使其在安全性能，用户体验等方面得到提高，故在其充放电过程中都用单片机进行控制。在这一过程中，单片机主要起到电路保护和电量显示的作用。在发热元件附近放入NTC，实时监控整个电路的温度，当其达到设计的最高温度时断开电路；对电池组电压进行分压采样，当电压小于或大于设定值时，断开电源。其采样电路如图5所示。

图5 采样原理图

3 软件设计

系统软件设计主要包括电量显示和电量保护。电路保护主要有欠压保护和过压保护。首先通过PIC16单片机采集电池两端的电压信号来确定电压是否正常。若电压低于8.5 V或者高于12.8 V，单片机6脚输出高电平，MOS管导通，继电器吸合，断开主电路。

电量显示通过单片机控制一组LED实现。4个LED全亮，表示此时电池电量大于75%；点亮3个LED，表示此时电池电量在50%～75%之间；点亮2个LED，表示此时电池电量在25%～50%之间；点亮1个LED，表示此时电池电量在0%～25%之间，用户应及时对电池进行充电。其过程主要通过软件实现，流程图如图6。

图6 软件流程图

4 总结

将移动电源的多种充电方式和多种放电方式集成于一体，提高了产品的通用性。经过硬件实现测出充电效率约90%。较大的功率输出和较高的转换效率可以使其满足消费者从手机、MP3、相机等到PAD、笔记本电脑、LED照明等用电器移动用电需求，20 V/4.5 A的转换效率约90%。完善了移动电源所需要的各种保护功能，使该产品性能更加安全稳定。该移动电源尤其适用于户外或野外工作者，具有一定的技术优势和市场前景。

[1]丁成功,王升鸿.便携式移动电源的研究与设计[J].伺服控制,2013(4):67-69.

[2]孙建昆.移动电源的新发展[J].互联网周刊,2011(7):66-67.

[3]陆维德.太阳能利用技术发展趋势评述[J].世界科技研究与发展,2007(1):95-99.

[4]张京,张根灿.基于CN3705和LM2596的锂电池充放电系统[J].电子技术与软件工程,2013(17):167-168.

[5]朱晓曲.基于UC3842的多端反激式开关电源的设计与实现[D].湖南:湖南大学，2013:66.

[6]LI Y M,LAI X Q,CHEN F J,et al.An adaptive slope compensation circuit for Buck DC-DC converter[C]//Proceedings of ASICON'07.Guilin:ASICON'07,2007.

[7]李正鹏,何希才.新型开关电源设计与应用[M].北京:科学出版社,2001:65-79.

Solar charging of 90 W mobile power supply

ZHENG Yong-chong,QIN Hui-bin
(Institute of New Materials and Devices,Hangzhou Electronic Science and Technology University,Hangzhou Zhejiang 310018,China)

Nowadays, the existing low power mobile power can't be able to meet the need when used in the high-power power supply such as notebook.Meanwhile the single charging way can't guarantee cruising power of mobile power supply.According to the market demand analysis,a diversified charging ways of mobile power supply was proposed,which could use adapter,solar battery and car battery charging mode with reliable performance and safety.The system mainly consisted of five circuit modules,namely solar charging,three different output channels with 20,12,5 V,the remaining capacity display circuit and system protection circuit.

mobile power supply;solar battery charging;Booster;90 W

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1028-03

2016-12-15

郑永翀（1990—），男，浙江省人，硕士研究生，主要研究方向为开关电源。