太陽能的開發(fā)及利用在大力提倡發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的時(shí)代背景下日益受到矚目。我國光伏產(chǎn)業(yè)以每年30％的速度增長，最近三年全球太陽能電池總產(chǎn)量平均年增長率高達(dá)49.8％以上。而通信設(shè)備、田間測(cè)量儀器等便攜式電子產(chǎn)品的普及使得以太陽能電池板為基礎(chǔ)的便攜式充電裝置倍受青睞，不受地域限制，能夠在傳統(tǒng)充電器無法工作的場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)急或可持續(xù)充電。目前，充電電池的充電技術(shù)主要有電壓負(fù)增量控制、時(shí)間控制、溫度控制、最高電壓控制技術(shù)等。假設(shè)充電電池的電壓保持恒定的條件下，利用LM393、ICL7660等元件構(gòu)成的切換電路控制，由TPS5430降壓電路和MAXl674升壓電路組成智能充電器，由可調(diào)直流電源模擬當(dāng)太陽能電池板的輸出電壓大范圍變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)充電器的自動(dòng)啟動(dòng)并盡可能地增大充電電流來實(shí)現(xiàn)充電效率的提高。

1 理論分析與計(jì)算

充電器的測(cè)試原理示意圖如圖l所示。假定太陽能電池板的輸出功率有限，電動(dòng)勢(shì)Es在一定范圍內(nèi)緩慢變化，監(jiān)測(cè)和控制電路采用間歇工作方式，以降低能耗?？沙潆姵氐碾妱?dòng)勢(shì)Ec恒定為3．6 V，內(nèi)阻Rc為0．1 Ω。

直流電源電動(dòng)勢(shì)為Es，電源內(nèi)阻為Rs，可充電池電動(dòng)勢(shì)為Ec，可充電池內(nèi)阻為Rc，充電電流為Ic，為防止電流倒灌，在可充電池兩端并聯(lián)電阻Rd。理想情況下，充電器的輸入阻抗與電源內(nèi)阻匹配，此時(shí)直流電源輸出功率為充電器輸出功率為Po=EcIc，則效率為。由此可得，當(dāng)Rs=100 Ω，Es=10 V時(shí)，Ps=0．25 W，Ic>64 mA，η>92．16％；當(dāng)Es=20 V時(shí)，Ps=1 W，Ic>160 mA，η>57．6％。為了盡可能提高高電壓時(shí)的充電效率，除選用TPS5430構(gòu)成降壓電路外，應(yīng)盡量降低切換電路的開關(guān)頻率。電路中主要功耗元件是功率場(chǎng)效應(yīng)管(FET)，在低頻情況下，功率FET主要是傳導(dǎo)損耗，在高頻情況下，傳導(dǎo)損耗維持不變，同頻率有關(guān)的損耗會(huì)增大。較高或較低的開關(guān)頻率均會(huì)使效率降低，綜合考慮各因素并結(jié)合試驗(yàn)，測(cè)得開關(guān)頻率為500 kHz時(shí)效率為94．35％。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

充電器硬件電路組成框圖如圖2所示。充電器由切換電路自動(dòng)判斷直流電源輸入電壓，選擇升壓或降壓電路，實(shí)現(xiàn)在工作電壓范圍內(nèi)自動(dòng)切換，模擬對(duì)充電電池的充電效果。

2．1 切換電路設(shè)計(jì)

切換電路用于切換充電器升壓工作和降壓工作兩種模式。設(shè)定切換的閾值電壓為3．6 V。閾值電壓由可調(diào)電阻設(shè)定并可調(diào)。充電電壓超過閾值電壓時(shí)降壓電路工作，低于閾值電壓時(shí)升壓電路工作。切換電路由場(chǎng)效應(yīng)管、電壓比較器等分立元件構(gòu)成，原理圖如圖3所示。

圖3中。輸入端VIN(P1)接充電電源，輸出端P2接MAXl674升壓電路的輸入端，肖特基二極管VD1用于防止電流倒灌。穩(wěn)壓器TL431為電壓比較器LM393的負(fù)輸入端提供參考電壓。輸入端VIN(P1)通過濾波后接入電壓比較器LM393的正輸入端。調(diào)節(jié)R_ad可調(diào)電阻，使輸入小于3．6 V時(shí)電壓比較器LM393輸出負(fù)電壓，P溝道MOS管IRLM16402VQ1、VQ2和VQ3導(dǎo)通，VQ1，VQ2的漏極連接升壓電路，使切換電路輸入、輸出端短接，使充電電壓接至升壓電路。當(dāng)輸入大于3．6 V時(shí)，輸出高電平，VQ1、VQ2和VQ3截止，此時(shí)MAXl674升壓電路無輸入。VD2、VD3的作用是當(dāng)電壓大干3．6 V時(shí)，LM393的負(fù)電源端接地；當(dāng)電壓小于5．5 V時(shí)，LM393負(fù)電源通過VQ3接ICL7660的負(fù)電壓輸出引腳。

2．2 升壓／降壓電路設(shè)計(jì)

升壓電路主要由升壓式DC-DC電源轉(zhuǎn)換器MAXl674組成。升壓后輸出4 V直接對(duì)電池進(jìn)行充電。MAXl674升壓電路如圖4所示。

圖4中，升壓芯片的儲(chǔ)能電感L1接MAXl674的LX引腳，電阻R1、R2和R3構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，將輸出電壓反饋至FB引腳，芯片內(nèi)部保持輸出電壓恒定。選取25 μH電感和680 μF電容組成一階低通濾波器，截止頻率，以削弱紋波對(duì)輸出電壓的影響。

降壓電路主要由降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器TPS5430組成，降壓后直接對(duì)電池進(jìn)行充電。TPS5430降壓電路如圖5所示。

經(jīng)測(cè)試，綜合考慮效率因素，選定開關(guān)頻率為500 kHz，輸入端的電容C6和C7為旁路電容和降壓濾波電容，由于轉(zhuǎn)換器中開關(guān)在導(dǎo)通瞬間需要較大電流，通過旁路電容吸收瞬間大電流和濾除高頻噪聲信號(hào)使芯片保持穩(wěn)定工作。電路輸出功率越大，工作頻率越低，對(duì)應(yīng)的電容值也應(yīng)越大。選取等效串聯(lián)電阻阻值低，容值為10μF的電解電容。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)資料，輸出端電感L1的取值按公式計(jì)算，可得所需的電感值是15．8μH，選取內(nèi)徑30 mm的鐵硅鋁磁芯自行繞制的電感值為18μH，以保證在額定的工作狀況下不會(huì)出現(xiàn)磁飽和。電阻R1、R2和R3構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，將輸出電壓反饋到芯片的VSNS引腳，該芯片自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，保證充電器輸出端輸出電壓恒定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1)電源內(nèi)阻Rs=100 Ω，調(diào)整Es的大小，使其在10～20 V范圍內(nèi)變化，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

由表l可見，在Es為1O V時(shí)，實(shí)測(cè)充電電流與理論值存在5．9 mA的偏差，充電電流低、充電器的轉(zhuǎn)換效率不高可能與芯片的轉(zhuǎn)換效率和輸入電壓有關(guān)，由TPS5430的數(shù)據(jù)資料可知，在輸入電壓為10 V左右，輸出電流約為60 mA時(shí)，其工作效率約為92％。而在12～20 V范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)充電電流大于理論計(jì)算充電電流值。

2)逐漸降低Es，直到充電電流Ic略大于0時(shí)，記錄對(duì)應(yīng)的電源電壓Es，該電壓即為最低可充電電壓。為保證準(zhǔn)確性，對(duì)多個(gè)不同的電源電壓值進(jìn)行測(cè)試，選取最優(yōu)3組數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

由表2可見，當(dāng)Es下降到3．6 V時(shí)，充電電流為0，充電器不能再對(duì)電池進(jìn)行充電，故最低可充電電壓為3．6 V。

3)從O開始逐漸升高Es，Rs為0．1 Ω；當(dāng)Es升高到高于1．1 V時(shí)，更換Rs為1 Ω。然后繼續(xù)升高Es，直到充電電流略大于0，記錄此時(shí)的電源電壓值，該電壓即為自動(dòng)啟動(dòng)充電功能的啟動(dòng)電壓。為保證準(zhǔn)確性，對(duì)多個(gè)不同的電源電壓值進(jìn)行測(cè)試，選取最優(yōu)4組數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

由表3可見，當(dāng)Es小于3．6 V時(shí)，充電電流持續(xù)為O，一旦Es上升到3．6 V后，充電電流由0開始增加，即自動(dòng)啟動(dòng)充電電壓為3．6 V。

4)Es降低到不能向電池充電，最低至0時(shí)，檢測(cè)放電電流。為保證準(zhǔn)確性，對(duì)多個(gè)不同的電源電壓值進(jìn)行測(cè)試，選取最優(yōu)3組數(shù)據(jù)記錄如表4所示。

由表4可知，當(dāng)電源電動(dòng)勢(shì)下降到最低可充電電壓時(shí)，電池開始放電，放電電流為3 mA。考慮到放電電流受倒灌電阻Rd影響，改變Rd的大小可改變放電電流。試驗(yàn)表明，Rd=15 Ω時(shí)放電電流最小。

5)接上電源內(nèi)阻Rs=1 Ω，調(diào)整Es，使其在1．2～3．6 V范圍內(nèi)變化。數(shù)據(jù)記錄如表5所示。

由表5可見，隨著電源電勢(shì)的增加，充電電流也隨著增加，直到當(dāng)Es達(dá)到3．2 V時(shí)，充電電流不再跟隨電源電勢(shì)變化。當(dāng)電源電勢(shì)為3．2 V時(shí)，充電電流最大，為256 mA。導(dǎo)致充電電流突變的原因是升壓器件MAXl674在不同輸入電壓下轉(zhuǎn)換效率不同。由于MAXl674在超過3 V電壓下工作時(shí)轉(zhuǎn)換效率低，所以充電電流出現(xiàn)非線性的突變。

6)當(dāng)Es≥1．1 V時(shí)，取Rs=1 Ω；當(dāng)Es<1．1 V時(shí)，取Rs=0.1 Ω。測(cè)量向電池充電的Es，記錄數(shù)據(jù)如表6所示。

由表6可知，逐漸降低電源電勢(shì)Es時(shí)，充電電流也隨著下降。當(dāng)Es到達(dá)0．4 V時(shí)輸出電壓已經(jīng)在O V附近變化，因此能向電池充電的最低Es為0．4 V。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以切換電路為控制核心，控制升壓型電路和降壓型電路對(duì)電池進(jìn)行充電。該充電器輸出電壓能夠恒定在4 V，自動(dòng)啟動(dòng)充電功能的Es為3．6 V，Es降低到不能向電池充電時(shí)，電池放電電流為3 mA，電路適合由輸出電壓波動(dòng)較大的太陽能電池板供電的便攜式充電器，且充電效率高于傳統(tǒng)的充電器。