一种折叠式太阳能移动电源设计

叶茎　杨勇

摘 要： 针对现在市场上大部分太阳能移动电源存在着太阳能板面积小，功率不够充电等问题，提出一种效率高，安全可靠的太阳能移动电源设计方案。采用5 V，7 W的较大功率折叠太阳能电池板，分析太阳能与电能转换过程的关键技术和方法，描述充电电路、升压电路、锂电池保护电路和关键芯片设计，例如能实现充电电流控制的专业锂电池充电管理芯片，启动电压可低于1 V的、小尺寸高效率升压DC/DC转换器芯片等。考虑了电源多方面的需求，包括太阳能的充电效率，锂电池的寿命和安全，升压的效率和输出电源的质量等，并通过实验结果验证了电源信号的正常输出，其是一个绿色安全的能源解决方案，具有实用价值。

关键词： 锂电池； 太阳能； 移动电源； 充电； 升压； 保护电路

中图分类号： TN710?34； TM910 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0166?03

Abstract： The most of the solar energy mobile power supplies available in the market have the problems of small solar panel and insufficient charging power. Therefore， a design scheme for the high?efficient， safe and reliable solar energy mobile power supply is presented. The high?power folding solar panel of 5 W and 7 W is adopted. The key technologies and methods of the conversion process from the solar energy to electric energy are analyzed. The design of the charging circuit， boost circuit， lithium battery protection circuit and key chips is described. The various demands of the power supply are considered， including the charging efficiency of the solar energy， lifetime and safety of the lithium battery， boost efficiency， and quality of the output power supply. The experimental results verify that the power supply has normal signal output， is a green and safe energy solution， and has practical value.

Keywords： lithium battery； solar energy； mobile power supply； charging； voltage boost； protection circuit

0 引 言

太阳能移动电源可以利用阳光照射给移动蓄电池充电[1]，既有节能环保的特性，又有寿命长的特点[2]，对野外工作或旅游者尤其合适。其要求移动电源体积小，充电电流不能过大而影响设备的寿命[3]。现在市场上多数太阳能移动电源，存在太阳能充电功率不够，仍然用电源充电的问题，大功率高效的移动电源往往设计复杂，价格昂贵。针对太阳能移动电源的需求及问题，本文提出了一种安全可靠、较大功率的太阳能移动电源设计。采用折叠式太阳能电池板，能给手机等便携设备供电，具有实用价值。

1 太阳能电池板的选择

太阳能电池板将光能转换为电能，为锂电池充电。目前市面上的太阳能电池板多晶硅材质较多，用于移动电源的太阳能电池板普遍存在面积小、功率低、太阳能充电性能差的问题。为了提升性能，需采用大光照面积和大功率的太阳能电池板，不方便携带，采用折叠的方式较好，可以选择方便折叠的多晶硅柔性薄膜材质。综上所述，选择市面上5 V，7 W的折叠太阳能板比较合适，可以给较大容量的移动电源充电。

2 电路结构原理设计

太阳能移动电源电路采用功能模块式结构，由充电电路、锂电池保护电路[4]、升压电路三部分构成。移动电源采用太阳能电源充电，USB电源进行充电模式的控制，充电电路的输出端，通过锂电池保护电路，与升压电路输入端连接，在锂电池保护电路模块安装移动电源电池。太阳能移动电源电路结构原理图如图1所示。

3 电路及关键芯片设计

根据电路结构图，对充电电路、锂电池保护电路、升压电路三个功能模块分别进行设计和分析。

3.1 充电电路

太阳能移动电源是将太阳能转换为电能储存在蓄电池，同时具有可移动性质的新型电源[5]。因此需要太阳能充电电路提供电能，充电电路要考虑效率和安全问题。

3.1.1 充电电路芯片功能设计

充电电路采用专业锂电池芯片CN3052进行管理，分为预充、涓流、恒流、恒压充电阶段。当输入的交流适配器或USB电源掉电了，CN3052自动进入低功耗睡眠模式，此时电流消耗会小于3 A。当输入电压高于阀值，CN3052会解除睡眠模式，开始充电管理。CN3052的调制输出电压为4.2 V，如电池电压低于阈值4.1 V，CN3052自动开始充电。

为了延长电池寿命，充电电流需要严格控制。当输入电压大于VIN管脚电源低电压检测阈值时，芯片使能输入端CE管脚接高电平，开始对电池充电，有：endprint

3.1.2 充电电路设计

太阳能移动电源充电电路如图2所示，当太阳能电源有电，红色LED4灯亮，进行充电。充电器向电池充电时，充电状态指示端管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行，三极管3904截止，绿灯LED3亮，红灯LED2灭，表示正在充电。充电完成时，管脚处于高阻态，三极管3904导通，由于R34作用，绿灯LED3灭，红灯LED2亮，表示充电完成。

3.2 锂电池保护电路

CR6002D芯片是目前市场上使用简单、高效、性价比较好的锂电池保护芯片，当出现过充、过流、过放时，芯片会自动停止充电或放电，起到保护锂电池的作用。该芯片集成度高，外围电路结构简单。

当芯片内置场效应管放电控制截止时，VM1，VM2端与地之间电压值小于或等于1.5 V，会进入休眠模式；当充电连接，且VM1，VM2端与地之间的电压值等于2.0 V以上，休眠结束。

3.3 升压电路

经过太阳能充电电路，输出电压一般为4.2 V，较低，在实际应用中需要升压电路来调节输出电压和输出电流。

3.3.1 升压电路芯片功能设计

根据用户所需要的最大输入/输出电流可采用不同的芯片进行升压。如PT1301芯片提供300 mA的最大输出电流；CN5136芯片提供500 mA的最大输出电流；CP6209芯片可以提供5 V，1.5 A输出，以PT1301为例进行说明。PT1301芯片是一款启动电压可低于1 V，小尺寸又高效的升压DC/DC转换器，采用自适应电流的脉冲宽度调制模式控制，输出电压由两个外部电阻设定，高效率、微安级别的低静态电流，可使电池使用更长时间。

电路输出电压由反馈输入端FB管脚控制，该管脚电压一般根据输出电压分压得到，如图4太阳能升压电路所示。输出电压[Vout]可通过电阻[R40]和[R41]按公式计算：

3.3.2 升压电路设计

升压电路如图4所示，可通过改变[R41]的值来调节输出电流的大小，[R41]阻值越大则输出电流越小。电路中电感和肖特基二极管的选择，对转换效率有较大影响；电感和输出电容的选择会影响输出电压的纹波。电压纹波由电压波动造成，易产生谐波等干扰，会降低转换效率，电路设计时要减小纹波。

实际电路元器件选择如下：采用肖特基二极管（正向压降约为0.2 V），20 μH（r<0.5 Ω）左右的电感，钽电容，可以提高电路转换效率，减小电源纹波。BM2302场效应管作为负载开关使用。

4 实验结果

太阳能移动电源输出波形如图5所示，经过升压，电压从0开始升至约5 V，因为负载存在压降，所以空载电压略大于5 V，约为5.3 V。

經测试，随着太阳能电池板与光照角度的调整，若光照面积或强度变少，则输入电压减少，太阳能移动电源工作效率降低。使用太阳能移动电源充电，需要保证光照面积或强度，可以提高太阳能移动电源工作效率。

5 结 语

这套由充电电路、锂电池保护电路和升压电路三部分组成的太阳能移动电源电路设计方案，采用较大功率的折叠式太阳能电池板，考虑了太阳能的充电效率，锂电池的寿命和安全，升压的效率和输出电源的质量问题，同时具有结构简单，成本较低的优点，是一个绿色安全的能源解决方案。

参考文献

[1] 梁勇，赵莉华，张亚超，等.一种基于自适应模糊PID控制的移动电源设计[J].电源技术，2014（4）：752?754.

[2] 周伯俊，姜平.物联网家用太阳能热水控制系统的设计[J].现代电子技术，2015，38（22）：73?74.

[3] 吴学军，胡晗，李文联.一种基于低功耗单片机的移动电源设计[J].电源技术，2014（3）：495?497.

[4] 陶俊豪.张志鸣，王殿程.基于锂电池的太阳能灯与移动电源系统设计[J].现代电子技术，2014，37（19）：160?162.

[5] 蔡荣山，杨勇，张虹，等.太阳能电池自动实时逐日系统设计[J].可再生能源，2016（6）：797?801.

[6] 朱宇峰，高迪驹，沈爱弟，等.船舶动力能源锂电池电量优化估计[J].计算机仿真，2016，33（11）：110?114.

[7] 张健，刘晓杰，俞洋，等.基于M51995A开关电源保护电路的设计[J].物联网技术，2016，6（11）：106?107.endprint