文章引用：霍广文, 黄海清, 陈恒, 李险峰, 张建祥, 魏燕明, 辛督强, 王永仓, 杨铜锁, 张美志, 张煜, 孙静, 吕可, 张涛, 陈诚, 刘瑞. 可充电保护的太阳能充电器设计[J]. 电力与能源进展, 2018, 6(2): 109-113.
https://doi.org/10.12677/AEPE.2018.62012
1. 引言
近年来，太阳能技术在新型能源市场占据了一席之地，引起了各个国家的高度重视。随着电子科学技术的迅速发展，太阳能充电因便捷、易控等优点也已备受关注。目前，作为一种清洁、可再生的新型能源，其开发利用技术主要集中在提高光–热和光–电转换效率 [1] [2] [3] 。本文设计了用于多种型号电池充电、可充电保护的易控太阳能充电器。
本文设计了太阳能充电器的充电电路，主要利用了CN3083芯片的充电控制电路和MC34063芯片的升压、降压电路完成。该系统借助太阳能电池板将太阳能转化为电能，然后经升压、稳压、降压电路处理，以及恒定电流、恒定电压、恒定温度的保护模式对电池进行充电，并且利用LED灯指示整个充电过程。通过电压输入端的充电电流调节，控制锂电池的充电过程。该设计可对手机、摄像机等数码产品进行充电。
2. 太阳能充电器的原理及系统设计
太阳能充电器将太阳光照射的光能，转换成电能储存在蓄电池内，再利用控制电路和电压转换电路对外部电子设备充电。充电过程中，太阳能电池因阳光照射强度的变化和较高的内阻，导致电压输出不稳定，且电流输出较小。因此，需要使用充电控制电路，将电池板输出的直流电压经变换后，供给电池进行充电 [4] [5] 。所以，太阳能充电器的合理设计就具有重要的现实意义。图1为太阳能充电器的原理结构框图，其核心是充电电路的设计。
为保存电池容量，锂电池不适宜全程恒定电流充电。一般情况下采用初始阶段恒流源快速充电，等到后期电池电压上升到额定值时，通过电路转换采用恒压源进行充电 [3] [4] [5] 。太阳能充电器的充电控制电路模块是由升压电路模块、充电控制模块，稳压模块和降压模块构成。光照适宜时，电池板将吸收的太阳光转换为电能，并通过稳压电路输出稳定电压，为负载充电。光照较差时，通过升压、稳压电路，将电池板输出的低电压变换为适合充电电路的稳定电压。该太阳能充电器的设计，主要由MC34063芯片
Figure 1. The principle structure diagram of solar charger.
图1. 太阳能充电器的原理结构框图
组成的升压降压变换电路和芯片CN3083组成的充电控制电路完成。直流电压变换器借助电感释放时电动势和电感相同的极性，使电源电压低于负载电压；当开关通断的频率远高于负载的时间常数时，负载电路就得到一个稳定的直流电压。最后，通过加载外加电阻调节充电电流，实现充电时自动检测芯片温度、充电完毕后结束充电的功能。
3. 充电电路设计
3.1 升压电路设计
太阳能充电器在无强光照射情况下输出电压较低，需要一个升压模块提高输出电压。而太阳能充电器要实现对手机充电，电流必须由高的一方流向低的一方，所设计的太阳能充电器也需要升压电路。实际应用中，将一个量级的直流电压转化为其他量级的直流电压过程就是DC/DC变换，包括升压、降压以及电压极性变化等。
本文采用MC34063作为DC/DC变换的核心芯片，图2是由MC34063芯片组成的DC/DC转换升压电路仿真图，是由比较器、R-S触发器、具有温度补偿作用的电压发生器和可控占空比振荡器等器件组成。若芯片的开关管导通，MC34063的1脚、2脚、电感L1接地，电容C2对负载提供能量。若开关管断开，电源和电感就同时对电容C2和负载供电。电感在释放能量过程中，其两端电动势与电源极性一致，类似两个串联电源，负载电压高于电源电压。芯片的工作频率(开关管导通与关断的频率)只要远高于相对负载的时间常数，负载上便可获得连续的直流电压。其中，电阻R1以及电阻R2完成输出电压设定的功能。
3.2. 充电控制电路模块设计
CN3083是太阳能充电控制系统的核心芯片，它内含功率型晶体管，使用阻流二极管和电阻等器件无需检测外部电流。器件内含有8位模数转换电路，可通过自主调节输入端的电压，合理控制输出端的电流，适合锂电池充电。当元件功率损耗很大或外界温度太高时，运用恒定电流、电压、温度的三恒模式为电池进行充电，使芯片保持在适宜温度。芯片在充电情况下，恒定压降为4.2伏。若输入电压降低，芯片启动低功耗的睡眠模式。除此之外，该系统还有电池温度检控、自动再充电、完成时提示以及电压过低锁存等功能。
图3为充电电路的仿真图。其中，J1为充电池输入端，J3为外接输入端，J2、J8接地，J4、J5为输出端，在J6、J7之间串联电流表。根据上述仿真图搭建实际电路，可实现光照硅电池板对锂电池充电。在充电前，测得硅电池板转化电压为Vo，当Vo < 3.3 V时，则红灯灭，绿灯灭，无法充电；当3.3 V < Vo < 4.2 V时，则红灯亮，绿灯灭，电池能正常充电；当Vo > 4.2 V时，绿灯亮，红灯闪，充电电压过高。充电系统在正常充电时，红灯亮，芯片控制充电电压4.2 V；电池充满，充电自动停止，红灯灭，绿灯亮。
3.3. 稳压输出电路设计
电池板的光电转换依赖于阳光照射情况，所产生的输出电压具有不稳定性。通过型号为LM7805的稳压集成器，可以实现稳定的电压输出。LM7805的输出电压可依据需要调节，电压在1.2~37 V之间，工作温度在0℃~125℃范围。
常用的组合稳压电路，原理上可分为串联型和开关型两种。图4是三端式串联稳压源的电路原理框图，其核心是电压负反馈的直流放大器，具有调整、输出、输入三个接口。稳压时，假若输出的电压Vo变大，抽到的样本电压Vs同样变大。Vs跟基准电压VR之间的差值也增加，而误差比较管输出的倒相电
Figure 2. Simulation diagram of boost circuit module
图2. 升压电路模块仿真图
Figure 3. Charge circuit simulation diagram
图3. 充电电路仿真图
Figure 4. Diagram of voltage stabilizing circuit module
图4. 稳压电路模块框图
压变高，会让调节功率放大器的输出电流变小。所以，调大功率放大器两边端口的电压，Vo的输出电压变小，但因变化程度较小，可认为Vo基本不变，完成稳恒电压的功能。在这一稳压电路中，外接充电设备不会因温度过高而损坏。
3.4. 降压电路模块设计
由MC34063芯片组成的DC/DC转换降压电路仿真图如图5所示，其为25伏到5伏的降压变化电源。其特点是当VIN = 25 V，I0 = 500 mA的时候，线性调整率是12 mV ± 0.12%，负载调整率是3 mV ± 0.03%，纹波电压是120 mV。假若加一级滤波器，像图5中所示，输出纹波降低到40 mV，变换效率是82%，短
Figure 5. Simulation diagram of the depressurization circuit.
图5. 降压电路模块仿真图
路限制电流是1.1 A。
4. 结论
本文主要介绍了利用控制芯片CN3083和DC/DC转换芯片MC34063的多功能充电器设计。该充电器设计由MC34063组成的升压电路模块和控制芯片CN3083构成的充电控制电路模块组成，并运用恒定电流、电压、温度的三恒保护模式为电池进行充电。为提高充电器性能，分析设计了基于稳压集成器LM7805的稳压电路模块。结合具体的硬件搭建，实现了将光能转换为电能并存贮于锂电池的实验。该充电器具有充电保护性能，使得充电最大的同时防止芯片过热。
基金项目
陕西省教育厅项目(No. 16JK2247)，西京学院高层次人才专项基金(No. XJ15B02)，西京学院2017大学生创新创业项目。
NOTES
*通讯作者。