太阳能便携式电源

2024-07-11

太阳能便携式电源（精选7篇）

太阳能便携式电源篇1

1 问题的提出

逆变电路是指将直流电能变换为交流电能的变换电路, 可用于构成各种交流电源, 在工业中得到广泛应用。但在很多情况下, 尤其是野外作业的场合, 需要现场提供交流电源, 但手中并无直流电源可以逆变, 此时需要一种取之方便、便于携带的小型能源设备。

2 解决方案

针对提出的问题, 设计思路为采用太阳能电源提供直流电, 经逆变电路转换成交流电, 整个系统设计为便携式。

2.1 太阳能电源系统

该系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池 (组) 组成, 各部分的作用为:

2.1.1 太阳能电池板

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分, 也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能, 或送往蓄电池中存储起来, 或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。

2.1.2 太阳能控制器

太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态, 并对蓄电池起到过充电、过放电保护的作用。

2.1.3 蓄电池

一般为铅酸电池, 小型系统中, 也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。它的主要功能是把太阳能电池板发的电能及时储存起来, 以供用电设备使用, 蓄电池具有储存电能和稳定电压的作用。用太阳能电池给蓄电池充电时, 太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%～30%, 才能保证给蓄电池正常充电, 给12 V蓄电池充电通常需要用15～18 V的太阳能电池。

2.1.4 电路结构

如图1所示, 双电压比较器LM393 2个反相输入端2脚和6脚连接在一起, 并由稳压管ZD1提供6.2 V的基准电压做比较电压, 2个输出端1脚和7脚分别接反馈电阻, 将部分输出信号反馈到同相输入端3脚和5脚, 这样就把双电压比较器变成了双迟滞电压比较器, 可使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。R1、RP1、C1、A1、Q1、Q2和J1组成过充电压检测比较控制电路;R3、RP2、C2、A2、Q3、Q4和J2组成过放电压检测比较控制电路。电位器RP1和RP2起调节设定过充、过放电压的作用。可调三端稳压器LM317提供给LM393稳定的8 V工作电压。被充电电池为12 V、65 Ah全密封免维护铅酸蓄电池;太阳电池用一块40W硅太阳电池组件, 在标准光照下输出17 V、2.3A左右的直流工作电压和电流;D1是防反充二极管, 防止硅太阳电池在太阳光较弱时成为耗电器。2.1.5工作原理当太阳光照射的时候, 硅太阳电池组件产生的直流电流经过J1-1常闭触点和R1, 使LED1发光, 等待对蓄电池进行充电;K闭合, 三端稳压器输出8 V电压, 电路开始工作, 过充电压检测比较控制电路和过放电压检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较。当蓄电池端电压小于预先设定的过充电压值时, A1的6脚电位高于5脚电位, 7脚输出低电位使Q1截止, Q2导通, LED2发光指示充电, J1动作, 其接点J1-1转换位置, 硅太阳电池组件通过D1对蓄电池充电。蓄电池逐渐被充满, 当其端电压大于预先设定的过充电压值时, A1的6脚电位低于5脚电位, 7脚输出高电位使Q1导通, Q2截止, LED2熄灭, J1释放, J1-1断开充电回路, LED1发光, 指示停止充电。

当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时, A2的3脚电位高于2脚电位, 1脚输出高电位使Q3导通, Q4截止, LED3熄灭, J2释放。其常闭触点J2-1闭合, LED4发光, 指示负载工作正常;蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低, 当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时, A2的3脚电位低于2脚电位, 1脚输出低电位使Q3截止, Q4导通, LED3发光指示过放电, J2动作, 其接点J2-1断开, 正常指示灯LED4熄灭。另一常闭接点J2-2 (图中未画出) 也断开, 切断负载回路, 避免蓄电池继续放电。闭合K, 蓄电池又进行充电。

2.2 逆变系统

逆变系统主要由方波信号发生器、MOS管电路和普通电源变压器构成, 如图2所示。

2.2.1 方波信号发生器

本设计采用六反相器CD4069构成方波信号发生器 (图2中实线框部分) 。电路中R1是补偿电阻, 用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的, 其振荡频率为。图2电路的最大频率, 最小频率。由于元件的误差, 实际值会略有差异。其它多余的反相器, 将输入端接地避免影响其它电路。

2.2.2 MOS管电路

由于方波信号发生器输出的振荡信号电压的幅值5 V, 为驱动由MOS管构成的电源开关电路工作, 这里用三极管V1、V2将振荡信号电压放大至12 V。

V3 (V5) 和V4 (V6) 构成互补型CMOS开关电路。当IC1的2脚输出为高电平时, 三极管V1由于输入为高电平导通, 输出低电平, 所以PMOS管V3导通, NMOS管V4截止。此时由于非门的作用, IC1的4脚输出为低电平, 三极管V2截止, 输出为高电平, 所以PMOS管V5截止, NMOS管V6导通, 电流经过自上而下流过变压器T1的初级线圈。当IC1的2脚输出为低电平时, 三极管V1截止, 输出为高电平, 所以PMOS管V3截止, NMOS管V4导通。同样由于非门的作用, IC1的4脚输出为高电平, 三极管V2输入为高电平而导通, 所以PMOS管V5导通, NMOS管V6截止, 电流自下而上流过变压器T1的初级线圈。只要合理选择变压器的匝数, 在一个信号周期内便可以在T1的次级得到220 V的交流电压。

逆变器用的变压器采用次级为12V、电流为10A、初级电压为220 V的成品电源变压器。PMOS管的型号为2SJ471, 最大漏极电流为30 A, 导通时漏-源极间的电阻为25 mΩ。此时如果通过10 A电流时会有2.5 W的功率消耗。NMOS管的型号为2SK2956, 最大漏极电流为50 A, 场效应管导通时, 漏-源极间电阻为7 mΩ, 此时如果通过10 A电流时消耗的功率为0.7 W。由此可知, 在同样的工作电流情况下, 2SJ471的发热量约为2SK2956的4倍。尽管场效应管工作于开关状态时发热量不会很大, 出于安全考虑需加装散热器。

这种低电压、大电流、频率为50 Hz的交变信号通过变压器的低压绕组时, 会在变压器的高压侧感应出高压交流电压, 完成直流到交流的转换。这里需要注意的是, 在某些情况下, 如振荡部分停止工作瞬间, 变压器的低压侧有时会有很大的电流通过, 所以该电路的保险丝不能省略或短接。

为了使电路获得良好的稳定性, 由三端集成稳压器78L05提供稳定的5 V电压作为六非门CD4069的工作电压。

摘要：野外作业场合常常需要现场提供交流电源, 同时还应便于携带。提出了一种由太阳能转变为电能并逆变成交流电的设计方法, 该设计能满足小功率用电器的需要。

关键词：太阳能电源,逆变,设计方法,便携式

参考文献

[1]俞志根.小功率太阳能电源逆变装置的设计[J].电力电子技术, 2009 (7) .

[2]吴波, 等.多电池组太阳能光伏电源系统的设计和应用[J].电力电子技术, 2008 (2) .

太阳能便携式电源篇2

1 总体方案设计

便携式太阳能逆变电源由太阳能电池组件、充电控制电路、锂电池、DC-DC控制升压电路、DC-AC逆变电路组成。系统框图如图所示。太阳能电池组件通过充电控制电路对锂电池充电,采用优化的充电控制方式,延长锂电池的使用寿命。充电后的锂电池输出额定电压为12V直流电压,通过DC-DC控制升压电路以PWM的方式经高频变压器升压,再通过整流滤波电路转换为340V直流电压,最后经DC-AC电路以SPWM的方式逆变为220V/50Hz的标准正弦交流电输出至负载使用。

2 模块电路设计

2.1 充放电控制电路

考虑到便携式系统要求体积小、重量轻、效率高的因素,我们采用太阳能电池组件供电的锂电池充电专用管理芯片CN3722实现对锂电池组的充电控制。CN3722是一款可使用太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成电路,具有太阳能电池最大功率点跟踪功能,CN3722非常适合对单节或多节锂电池的充电管理,具有封装外形小,外围元器件少和使用简单等优点,充电电流可达5A。CN3722具有恒流和恒压充电模式,非常适合锂电池充电。在恒流充电模式,充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的电池,当电池电压低于所设置的恒压充电电压的66.7 % 时,CN3722用所设置的恒流充电电流的15% 对电池进行涓流充电,以保护锂电池受大电流流的冲击。在恒压充电模式,恒压充电电压由外部的电阻分压网络设置,在恒压充电阶段,充电电流逐渐减小,充电过程持续直到充电电流减小到零,蓄电池电池连接端管脚电压保持不变,所以不会对电池过充电。CN3722采用恒电压法跟踪太阳能电池的最大功率点,配合片外的两个电阻构成的分压网络,可以实现对太阳能电池最大功率点进行跟踪,提高了整个逆变电源的发电效率。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时,CN3722自动进入低功耗的睡眠模式。其它功能包括电池温度监测,电池端过压保护和充电状态指示等。

2.2 DC-DC 控制升压电路

DC-DC升压电路的核心控制芯片为PWM开关电源控制芯片TL494,TL494集成了全部的脉宽调制电路,内置线性锯齿波振荡器,振荡频率由外置振荡元件一个电阻和一个电容决定 ;内置误差放大器及5V参考基准电压源 ;可调整死区时间 ;内置功率晶体管可提供500m A的驱动能力 ;推或拉两种输出方式 ;输出脉冲最大频率200KHz。

TL494输出两路相位互差180°的PWM脉冲波形,控制两只功率场效应管交替工作,采用推挽逆变方式,把锂电池12V直流电转化成高频率方形波交流电,通过高频升压变压器升压,再通过二极管桥式整流和电容滤波输出340V的直流电压,提供给正弦波逆变电路。TL494内置的脉冲宽度调制比较器,可用芯片的死区时间控制输入电平及两个误差放大器的输入电平去控制脉冲宽度比较器的输出,加上运放LM324等外围器件,从而能达到改变输出脉冲的占空比,实现软启动、稳压、过温保护、锂电池放电欠压保护等功能。

2.3 DC-AC 逆变电路

DC—AC转换电路核心控制芯片为纯正弦波逆变器控制芯片EG8010-SPWM,这是一款功能很全面的、数字化的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片,应用于DC-DC-AC两级功率变换电路或DC-AC单级工频变压器升压变换电路,能实现高精度的50Hz或60Hz纯正弦波逆变专用芯片,外接12MHz晶体振荡器。芯片采用CMOS工艺,内部包含有SPWM正弦发生电路、死区时间控制电路、幅度因子乘法电路、软启动电路、保护电路等部分。主要应用于单相纯正弦波逆变器、光伏发电逆变器、风力发电逆变器等领域。

纯正弦波逆变器控制芯片EG8010SPWM产生的SPWM调制波,经过IR2110S驱动芯片驱动功率场效应管工作,340V直流电压通过功率场效应管、滤波电感、滤波电容调制出220V/50Hz纯正弦波,完成整体的逆变工作。在输出的220V/50Hz正弦交流电中取电压、电流反馈回EG8010-SPWM纯正弦逆变器控制芯片,具备过流保护和输出电压稳定控制的功能。逆变输出采用全桥工作方式,由4个功率场效应管组成的2路桥臂所构成,一路由EG8010芯片输出的SPWM调制信号控制,为高频臂,另一路由EG8010输出的正弦波频率进行切换,为低频臂。两组场效应管轮流导通,输出交变的方波电压,经电感、电容滤波,输出纯正弦波交流电压,电压的失真度小,输出电压、频率稳定。

3 结束语

太阳能便携式电源篇3

1 目前存在的电量显示方法

电量显示的目的在于告诉用户移动电源的可用性[6],个别移动电源一般只搭配一个显示灯,在电池充满之后熄灭。但随着移动电源电池容量越来越大,多数情况下人们等待不了过长的时间,多会在移动电源电池未充满时就会拔掉充电电源使用,显然利用一个显示灯不能满足这种需求,若灯越多细分的越精确,但这又会增加系统的功耗与体积,而且过度精确的细分并不需要。目前应用较多的有两个灯显示到4个灯显示不等,不同的显示状态对应不同的电池电压或是储存能量占电池额定能量的百分比,且一般会使用不同颜色的LED灯管。值得注意的是现在的显示方法大多均集成了系统异常指示,比如当系统发生过温过压输出短路时就触发异常的显示状态,用户据此可及时采取措施或者终止操作,避免危险的发生。

2 本文设计的电量显示电路

2.1 显示状态设计

本文采用4个LED灯显示,具体的显示状态如表1和表2所示。

为了避免在电池电压低于Boost欠压锁定阈值充电时出现LED无法显示的问题,在充电时从Charger模块引入一路电流到LED1。因此LED1闪烁的状态是亮度明暗周期性变化,而LED2和LED3闪烁的状态是亮灭周期性变化。文中在同一个灯充电时的翻转点与放电时的翻转点之间加入迟滞。另外,当Charger系统或Boost系统工作时,若发生过温、过压、过流、输出短路等异常时,4个灯将开始同时闪烁,指示用户系统工作异常。根据以上要求,首先给出所设计的控制框图,之后给出各部分的具体电路图。

2.2 显示控制电路框架规划

如图1所示,首先在电路中加入VBAT到地的一路分压电阻,形成4个分压比divide1~divide4,其分压比比值依次减小。针对分压电路文中加入Charge信号控制,通过是否短路一部分电阻从而在充电与放电时形成不同的分压比,用以产生充电与放电时对应显示转换点之间的迟滞。电路中引入4个比较器,比较器的负相端接Boost部分产生的基准Vref,正相端接divide1~divide4,充电时电池电压从低到高,其分压输出从低到高,divide1~divide4会分别达到该基准电压,4个比较器依次翻转,L1,L2,L3和L4依次翻低,对应4个不同的显示状态转换点。放电时电池电压降低,4个比较器依次翻转,L4,L3,L2和L1依次翻转高,最后Boost系统进入欠压锁定状态,UVLO信号为高。L3,L2,L《》1,UVLO信号的翻转对应着显示状态的4个转换点。Charge与Discharge用以在充放电时形成不同的控制信号,Fault信号为前述系统异常指示信号,在Charger部分与Boost部分出现异常时起作用。T1与T2为由振荡器输出信号经过整形分频之后输出的时钟信号,用以控制电路在正常工作时与出现异常时LED1~LED4闪烁时的不同闪烁周期。LED1~LED4为输出外接发光二极灯管。MP1~MP4为镜像管,确定了流过LED的电流大小。MP5~MP12为开关管,受逻辑模块输出的控制信号K1~K8的控制,实现对电量显示状态的控制。需要注意的是由于LED的电流要比较大,同时为了保证在较低电压下LED1~LED4输出端的电压均可达到发光二极管中的PN结的导通电压,因此此处二极管尺寸都要给的比较大以承受更大的电流同时降低自身的过驱动电压[7]。如前所述可看出,当充电信号有效(Discharge为低)时Charger的电源VIN会向LED1送入一路电流使得只要是充电状态,LED1一直保持点亮。

2.3 子模块具体电路实现

图2中左半部分给出了分压电路的示意图,设充电时的翻转点为VCi(i=1,2,3,4),放电时的翻转点为VDi(i=1,2,3,4)则有

其中,Vref为Boost模块产生的输入比较器的基准,Rdson为M1导通时的等效电阻。理想上希望M1导通时是一个短路的状态,因此必须将Rdson降得尽可能小,从直观上讲就是要给M1更大的尺寸。同时因为此串分压电阻始终导通,故为了减低功耗,此处电阻的阻值应尽可能大,但同时还应考虑到版图面积与大电阻引入的寄生效应的影响[8]。

图2中右半部分给出了所使用的比较器电路图。采用普通的两级比较器,当分压比divide N(N=1,2,3,4)高于基准电压Vref时比较器输出LN翻转为低,fault信号作为使能信号,系统发生异常时,fault信号为高,4个比较器的输出L1~L4全部为低。此处需要注意的是,为保证实际显示的状态转换点接近理论设计值,需要将比较器的失调降低到尽可能小,首先输入对管M3和M4应当选取较大的尺寸,在版图中应采用匹配画法[9],其次就是M1与M2的尺寸的设置,若M5,M6和M7采用相同的尺寸,则M1的尺寸应当是M2的2倍。若M5和M6采用相同的尺寸,M7的尺寸是其2倍,则应当选取M1与M2尺寸一致。同时M5,M6和M7应当选取长沟道器件,以减弱沟道长度调制效应引入的误差[10]。因电池电压的上升是一个缓慢变化的过程,且又会携带噪声引入的波动,为此文中给比较器的输出加入一个施密特触发器,引入滞回,防止LN的反复翻转。之所以不使用迟滞比较器架构的原因是要达到效果,则迟滞量应较大,分压比较大的迟滞量反映到VBAT电压上就会过大,远超过设计的50 m V迟滞。此外,在版图的设计中应当选取分压电阻的地与Boost基准的地选取同一个地线,且其走线应尽可能的短。

图3给出了逻辑控制电路图。如图中所示,T1和T2为振荡器输出经过分频后的时钟信号,其占空比均为50%。电路正常工作且处于充电状态时,Discharge信号为低,fault信号为低。T3为与T1频率相同相位相反的信号,T4恒为低。Boost系统脱离UVLO状态以后,UVLO信号翻转为低,K1为低,而此时在L1翻转为低之前,K2为与T3同频率的信号,此时LED1便按照K3的变化闪烁,同时L1为高,K3为高,LED2支路关断。直到L1翻转为低,此时K2恒定为低,LED1开始常亮,L1翻转为低,K3为低,LED2便开始以与T3相同的频率开始闪烁,直到L2翻转为低,LED2常亮,后续分析同理。电路正常工作且处于放电状态时,设此时电池电压为充满后的电压,Discharge信号为高,T3和T4均恒定为低。因此K2,K4,K6和K8恒定为低,当电池电压高于3.75 V时,L3为低,K7为低,故LED4常亮。当电池电压低于3.75时,L3翻转为高,K7为高,LED4熄灭。其余转换过程同理,直到电池电压低于欠压闭锁门限,UVLO信号为高,LED1熄灭。无论充电或是放电当系统发生异常时,fault信号为高,T3为高,T4为与T2变化同步的信号,此时因L1~L4全部为低,K2,K4,K6和K8全部为低,于是K1,K3,K5和K7便跟随T4的时钟周期进行闪烁,因此便出现系统工作异常时4个灯全部闪烁的情况。

3 仿真结果

选取VBAT从2.85 V匀速上升到4.2 V后再匀速下降到2.85 V,观察LED1~LED4端口电压的变化情况。仿真结果如图4所示,可看到LED1~LED4在充电时都是先后从闪烁到常亮,放电时均先后是从常亮到熄灭,仿真结果符合设计预期。设置VBAT=3.8 V,fault=3.8 V,仿真系统出现异常时的显示状态,仿真结果如图5所示,LED1~LED4均是以相同的间隔闪烁,符合设计要求。需要说明的是,为了便于仿真,此处等倍数的缩小了时钟信号的时间长度,同时仿真时未加入Charger的电源VIN向LED1注入的那一路电流。

4 结束语

设计了一种应用于移动电源的电量显示控制电路,采用4个LED灯显示,符合目前最流行的显示方式,可使用户方便的了解电池电量的存储情况。同时当系统工作异常时,4个灯同时闪烁提醒用户采取措施,该设计具有一定的实用参考价值。

摘要：针对便携式移动电源在充放电时的电量显示控制问题,文中基于常用的电池电量显示标准,设计了一种控制移动电源在充电与放电时电量显示状态的电路,该电路将电池的分压与芯片中升压模块的基准输入比较器比较,结合时钟信号进行逻辑控制,将电量显示分为多个阶段,采用4个LED显示。同时当芯片其他模块工作异常时,引入状态异常指示,提醒用户采取措施。采用TSMC0.35μm工艺,在Cadance平台Spectre环境下进行仿真,仿真结果证明设计达到了预期效果。

关键词：电量显示控制,充放电,电路异常指示

参考文献

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[3]陈文礼.一款经济实用的移动电源设计[J].电子技术,2013(10):24-25,19.

[4]陈永强,刘国荣,张丽.移动电源行业标准现状分析及建议[J].日用电器,2014(4):39-44.

[5]万元姣.一款多功能移动终端用电源管理IC设计[D].南京:东南大学,2008.

[6]白继彬.电源管理半导体[J].电力电子技术,2008,42(12):29-32.

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[8]Behzad Razavi.模拟CMOS集成电路设计[M].王志华,译.北京:机械工业出版社,2013.

[9]Hastings A.模拟电路版图艺术[M].王志功,沈永朝,译.北京:清华大学出版社,2007.

太阳能便携式电源篇4

2适用于射频功率放大器 (RF PA) 的SuPA

目前, 3G手机正在世界范围内加速推广。同时, 更大的数据速率也带来了电流消耗和散热问题。目前的功率放大器均由电池直接供电, 这虽然可以轻松实现系统实施, 但根据这种标准制造的线性功率放大器在整个传送功率谱中只能实现较低的效率。如何以同样的高性能电池延长通话时间和电池寿命, 是系统设计人员急需解决的问题。

图2为射频功率放大器的损耗和低效率架构。在RF IN处, 功率为28 dBm, 对于天线处的III级功率要求, 最大输出功率为24 dBm。因此, 在最大功率时, 附加功率效率 (PAE) 仅有40%。除PAE外, 射频功率放大器的另一个重要规格是邻道功率/泄漏比 (ACPR/ACLR) 。由于功率放大器和其他子系统具有干扰无线电信道或系统的倾向, 因此PAE和ACPR/ACLR常用来特征化功率放大器和其他子系统的失真。为保证高线性, 无论是在正常或极端条件下, 其均应符合规格的要求。

为了提高系统性能并延长电池寿命, 美国国家半导体引进了可用于射频功率放大器 (PA) 的电源管理技术, 称为SuPA。SuPA可用于功率放大器的开关单元, 这是一种向PA提供电源电压的专用DC/DC转换器。图3为对其改进射频功率放大器子系统的原理进行的说明。

在传输功率增加的同时, Vout也随之增加。因此, 要保持ACLR规格, 必须改变SuPA的输出电压, 以保证不会出现失真且线性不受影响。LM3212将2.7 V～5.5 V的输入电压降低至0.6 V～3.4 V的动态可调输出电压。使用VCON模拟输入来设置输出电压。动态可调输出电压确保在射频功率放大器的全部功率级下高效工作。在关机模式下, 设备关闭并将电池消耗降低至0.02μA。

当以GSM模式使用时, LM3212可支持高达2.5 A的电流。利用内部同步整流, LM3212可实现达95%的效率。美国国家半导体开发的LM3212既可解决效率问题, 又可满足GSM/EDGE (2G) 和WCDMA/EVDO/TDSCDMA (3G) 标准的要求。电池电流在30 dBm时降低了50%。Vcon可由来自基带的DAC输出控制, 也可由GPIO产生的滤波可变占空比PWM信号控制。

便携式太阳能手机充电器设计篇5

全球日趋严重的化石能源紧缺和环境污染破坏的情况, 使得太阳能产业的发展不仅仅是一个单纯的经济问题, 更是一个能源替代和环境保护的问题, 太阳能光伏发电技术也越来越受到人们的关注。随着太阳能电池板价格方面越来越便宜和科学家在光伏技术方面研究的深入, 人类利用太阳光的辐射能量将逐渐由现在的补充能源升级到替代能源。太阳能光伏发电技术在家庭小产品方面的应用实例还是很少, 如目前使用太阳能充电的手机充电器还没有被广大消费者接受。因此太阳能作为一种容易获取对环境无污染的绿色能源若能应用到消费类产品中, 对于改善地球的整体的能源状况和环境有着非常重要的意义。太阳能光伏发电技术的最重要的研究内容, 就是如何在给定光电转换材料和电池的条件下, 完成高效可靠的充电。当来自太阳能板的电能有剩余的时候, 就可以对蓄电池进行充电;当太阳能板提供的电能不足的时候, 电池就可以为系统提供电能。

三亚市位于海南省最南端, 地处东经109.5°, 北纬18.2°, 属于中国太阳能资源较为丰富地区, 全年太阳总辐射量达5628MJ/m2。日照时间长, 沿海年均日照时数为2588h。三亚的年平均气温25.4℃, 6月平均气温最高, 达28.5℃, 1月平均气温最低, 达20.9℃, 三亚市全年各月份太阳辐射量丰富, 日照时数较大, 可以为手机充电提供充足的太阳能。

基本理论

设计方案及思路

本设计所制作的便携式太阳能手机充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能, 经过7805稳压芯片稳定到5V后的电能传递给充电芯片TP4056, 通过这款芯片完成对单节锂电池完成充电, 最后在通过DC/DC升压芯片PT1301, 将电池的电压升压的稳定的5V, 为负载电路供电。另外, 系统还利用LM324搭建了电池电量的指示电路, 给电池电量分了等级。系统方框图如图1所示。

电路设计及分析

根据系统方框图, 设计的系统原理总电路图如图2所示, 其由稳压电路、充电电路、放电电路和电量指示灯电路四部分组成。

有阳光的情况下, 太阳能板对电路进行充电, 太阳能板电流经过稳压芯片LM2940VIN口输入, 把电压稳压至5v后通过VOUT输出。470uf的电容是防止太阳能板的电流倒回太阳板。LM2940输出电压固定的低压差三端稳压器;输出电压5V;输出电流1A。稳压电路如图3所示。

图4是充电电路, TP4056是一款完整的单节锂离子电池线性充电器, 可以对两个并到一起的锂电池进行充电。太阳板是主要的供电模块, 经过稳压模块, 5V的电压经过指示灯, D3红灯亮表示正在进行太阳能充电, R4电阻是过载保护电阻, 当充电器向电池充电时, 管脚被内部开关拉到低电平, 表示充电正在进行中;否则管脚处于高阻态, 所以D3红灯亮表示正在进行太阳能充电。当电池充电结束时管脚被内部开关拉到低电平, 表示充电完成。除此之外, 管脚则会处于高阻态。所以D2绿灯亮表示正在进行太阳能充电完成, 同时5V电压接TP4056的VCC是给芯片供电的。

图5是放电电路, PT1301是一款升压DC/DC转换器, 采用自适应电流模式脉冲宽度调制控制环路。该芯片在负载电流范围内能稳定和高效的工作, 而且不需要任何外部补偿电路。充电电路对电池进行充电, PT1301对电池输出的电压进行升压, 并将电压稳点在需要的电压值上, 通过USB口输出电压, 对手机进行充电。

图6是电量指示灯电路, TL431是一个三端可调并联稳压器, 能保证温度稳定在整个温度经营范围, LM324是一个四运放集成电路, 它的四组运算放大器在形式方面一样, 其中专为从单电源供电的

电压范围经营。TL431和LM324组成了电压比较电路, 将电池的电量通过运算放大器进行比较, D4、D5、D6、D7电量显示灯, 如果电量不足, 第一个显示灯不亮, 只显示其余的三个灯, 以此类推。

太阳能电池板

太阳能电池板 (Solar panel) 是由单个或多个太阳能电池片组成具有把光转换成电特性的一种半导体器件, 它可以把照射在其表面的太阳光的辐射能量转换成直流电, 太阳能电池板是光伏发电产品中的最为基础的组件, 也是太阳能光伏发电产品中最为核心的部分。它在本设计中最大作用就是将太阳光的辐射能量转化为电能贮存到蓄电池中。多晶硅太阳电池与单晶硅太阳电池的制作工艺基本相同, 但是多晶硅太阳能电池在光电转换效率方面则要比单晶硅太阳能电池降低不少, 其光电转换效率大约为12%左右。当前日本在这方面的研究处于世界领先地位, 能制造光电转换效率在14%左右的多晶硅电池。从制作成本上来讲, 要比单晶硅太阳能电池要便宜一些, 它在制造工艺上更为简单, 生产耗电量少, 在成本方面也比较低, 所以得到了大力发展和应用。出于成本控制原因, 本设计制作的便携式太阳能手机充电器采用的电池板为多晶硅太阳能电池板。

实物制作

从电子材料店买回所需元器件器材及若干导线, 选取好大小合适的覆铜板按照电路图进行制作, 将元器件按照电路的位置逐个焊接完成, 将太阳能电池板用导线和电路板连接起来, 电路输出端焊接上USB接口, 用万用表逐个检查元器件, 实物部分基本完成。

将太阳能电池板至于阳光下, 将手机与电路板用USB线连接起来, 打开充电开关, 手机开始充电。其实物图充电过程如图7所示。

测试和分析

将便携式太阳能手机充电器置于阳光下, 通过调整多晶硅太阳能电池板与阳光照射的角度, 得到不同的光照条件下的数据, 用万用表测量对应的输入电压电流和输出电压电流并将其绘制成表1所示, 并对数据进行分析。

由表1便携式太阳能手机充电数据测试结果及分析所得, 输出电压和输入电流恒定不变, 即本设计的便携式太阳能手机充电器输出功率恒定不变。将输入电压和输入功率的数据制作成线路图, 观察其对应关系如图8所示。

由图8便携式太阳能手机充电器的输入功率和与输入电压的关系分析可得, 在太阳能电池板的工作电压内, 随着输入电压的增大输入功率也随之减小。

图9是便携式太阳能手机充电器的工作效率和输入电压的关系图, 由图可知在太阳能电池板的工作电压内, 随着输入电压的增大, 工作效率也随之增大。

经过测试及测试结果分析, 本设计的便携式太阳能手机充电器运作状态良好, 能完整较好的实现本设计意图。经过样机充电测试, 完成手机完整充电过程大约为1.5至2小时之间。由以上分析可得, 想要尽快完成充电过程 (即提高太阳能手机充电器的工作效率) , 必须得提高太阳能电池板的输入电压, 即提高太阳能电池板接收的光照强度 (如在光照较为充足的午间时分或者调试好太阳能电池板与阳光照射的角度) 。

结语

太阳能便携式电源篇6

关键词：电源监控器,电池寿命,电源管理,LTC2934,LTC2935

引言

在电子设备 (特别是电池供电型产品) 的设计中, 功耗是一项重要的问题。对于电子设备设计师而言, 面临的难题是如何在不显著缩短设备电池运行时间的情况下增添功能。例如, 拆开任何一部时尚的便携式设备, 您将会发现, 不少集成电路即使在处于空闲状态的时候也会消耗一定的电流。应尽量地减小嵌入式电路的静态电流和工作电流 (以最大限度地延长应用的电池工作寿命) , 这一点很重要。

有的时候, 在弱电池电压条件下, 当接通设备时, 您可能只会发现它没有任何反应, 并且在其上电序列过早终止之后被部分配置。避免发生该问题的一种方法是采用功率需求极低的电源监控器来监视系统电源, 从而使得它们即使在电池电量消耗非常之大的情况应用得它们即使在电池电量消耗非常之大的情况下也能够做出响应。LTC2934和LTC2935超低功率监控器在设备工作的所有相位期间均提供了准确的电压监视和微处理器控制。系统初始化、电源故障预警、手动复位和上电/断电复位发生等功能都被内置于器件之中, 因而仅需从电源吸收区区500n A的电流。

电源电压上升:启动很重要

在电源上电的过程中需要控制器件的启动, 这一点很重要。LTC2934/35上电复位 (POR) 功能提供了电压监视和逻辑控制, 用于防止在电源电压不足的情况下起动微处理器。PRO功能还产生了一个延时, 以为电源电压的稳定提供少许余量。该延时也使得一个处理器振荡器能够起振, 并在允许微处理器执行编码操作之前达到一个稳定的频率。

来自监控器的复位输出通常连接至微处理器的复位输入。在系统启动期间, 监控器把输出保持于低电平。当电压达到一个规定的最小值时, 内部复位定时器将开始运行, 并另外再把输出保持于低电平达一定的时间 (通常为200ms) 。当复位定时器终止操作时, 输出被拉至高电平, 并把微处理器从其复位状态中释放出来。

图2示出了从图1所示的典型应用电路获得的电源上升波形。当VCC超过了电源故障门限+2.5%迟滞 (3.192V×1.025=3.272V) 时, 允许把电源故障输出拉至高电平。LT3009 (一款3µA LDO) 从VCC来供电。由于输出由LDO输出来上拉, 因此将跟随LDO。当LDO输出超过了复位门限+5%迟滞 (1.696V×1.05=1.781V) 时, 内部复位定时器开始运行。在200ms之后, 被拉至高电平, 而且, 与相连的系统逻辑电路从其复位状态中释放出来。

电源电压下降:注意预警

非受控的电源丢失会引发许多的系统问题。LTC2934和LTC2935包含一个电源故障逻辑输出 () , 将其拉至低电平, 以对即将发生的电源丢失提供预警。预警应在被监视电源的电压下降至不足电平之前 (以及远远早于输出被拉至低电平的时候) 提供, 这样才能发挥效用。和被拉至低电平之间的时间可用于在停机之前启动多项关键的操作。当监控器把微处理器复位拉至低电平时, 就有可能无法执行操作。由电源故障报警信号所启动的操作包括:关断非关键元件 (以保存能量) , 并把重要的数据写入存储器。有些安全应用可能还会要求将数据删除, 从而不给存储器窥探者以可乘之机。

图3示出了从图1所示应用电路获得的电源下降波形。这些波形示出了当VCC突然从系统断接时, 是如何提供具有足够提前量的报警的。在1.8V电压条件下, LT3009将向一个负载提供10m A的恒定电流。当VCC (标称值为4.1 V) 被断接时, 100µF输入电容器开始放电。电源故障门限被配置为3.192V。

选择固定或可调门限

LTC2935集成了8对精准的复位和电源故障门限。采用3个数字选择输入来配置8对门限中的任何一对 (见表1) 。采用LTC2935的典型应用电路不需要额外的外部元件。因此, 解决方案所占用的板级空间极小, 而且功率极低。

当需要定制 (可调) 门限时, 可采用LTC2934。LTC2934用于监视施加在其PFI和ADJ输入端上的电压 (一般是通过一个外部阻性分压器来完成) 。外部分压器的电阻值可以很大, 这有助于保持低电流。因输入漏电流 (在整个温度范围内的最大值为1n A) 而引起的分压器误差往往非常小, 根本不用担心。PFI和ADJ输入具有精准的400m V门限 (下降) , 所以可进行低电压监视。LTC2934和LTC2935的下降门限准确度均为±1.5% (在整个工作温度范围内) 。最小VCC很低, 仅为1.6V。

手动复位和复位定时

监视一个两节层叠锂离子电池

有些便携式应用使用一组电池来实现较长的产品工作寿命。对于采用两节层叠4.1V锂离子电池 (或相似电池) 的产品, 总层叠电压 (8.2V) 超过了LTC2934的最大工作电压 (5.5V) 。然而, 如果两节层叠电池的中心抽头是可用的话, 那么仍然能够监视电池。图4示出了采用层叠电池的中心抽头来对LTC2934施加偏压的方法。在电源故障输入端 (PFI) 上对总层叠电压进行监视。该应用电路被配置成在电池电压之和降至6.00V以下时把输出拉至低电平。可调输入 (ADJ) 负责监视LDO输出。当LDO输出降至3.00V以下时, 输出将被拉至低电平。

非常充裕的迟滞

某些应用电路在加电时将产生一个很大的负载瞬变。如果电池的串联电阻很大, 那么这种瞬变就会导致电池电压显著地下降。如果负载在复位输出被拉至高电平之后启用, 则随后出现的电压降有可能把VCC监视器输入端上的电压置于门限以下, 从而导致复位和电源故障输出被拉至低电平。在这样的场合中, 采用有源门限控制 (如图5所示) 是有帮助的。LTC2935的电源故障输出可用于改变任何 (或全部) 门限控制输入状态 (S2、S1、S0) 。电源故障比较器门限始终高出复位门限达150m V, 而且, 电源故障输出并不经历200ms的复位超时延迟。如果电源故障输出在复位输出之前被拉至高电平 (对于上升电源而言情况几乎总是这样) , 则它将可被用来把下降门限降至其他7种门限选项之一。在图5中, 复位下降门限从3.3V为低电平) 变至2.25V为高电平) , 这提供了一个1.05V的充裕下降迟滞。

结语

LTC2934和LTC2935监控器所需的500n A电流非常之小, 因而可被置于器件功率预算的“无关”列之中。尽管功率很低, 但这些监控器并未舍弃功能。上电复位和电源故障预警信号为系统逻辑电路提供了无干扰的逻辑控制。复位延迟时间是内置的。这两款器件均具有手动复位功能。这些监控器的配置很容易, 而且所需的外部元件极少。超低的输入漏电流规格使得高性能应用成为可能。

参考文献

[1]Nakemura S, Hinckley A.6-Input Supervisors Dffer Accurate Monitoring and125C　Opevation[OL]

[2]LTC2934、LTC2935　Datasheet.Linear Technology, 　2008

[3]Selection of Down Threshold.Linear Technology

[4]Ulta-Low Power Adjustable Supervisor withPower-Fail Out put[OL].　www.linear.com

太阳能便携式电源篇7

电力系统中运行的电气设备会承受电压和电流的双重作用。带电的一次部分与地之间会通过各种形式的材料及结构实现绝缘功能[1、2], 通流的一次部分会通过各种形式的材料及材料间的压接、焊接、接触等连接形式实现导通功能[3、4]。电压因素和电流致热因素对于电气设备绝缘性能的影响具有叠加效应, 即通过热、电循环影响, 加速设备绝缘材料性能的老化[5、6]。常规的电气设备试验一般将绝缘考核—电压试验与通流发热考核—通流试验分开进行[2、3, 7~9]。若要开展接近实际的加压、通流考核, 需要在实际运行系统中开展或在更大容量的试验设备上开展[10~12]。

基于电气设备通流试验时闭合金属回路感应升流的原理[10、13], 借助穿过升流孔的套管或电缆段与被试通流电气设备构成的闭合金属回路实现对地绝缘[14], 可以将接近电气设备额定电压、电流的电源同时施加在其上, 进而等效实现电压、电流双施加的目的。文中在对感应通流应用基础的分析以及电压施加方案提出的基础上, 通过针对性的比对分析, 明确了电流源的升流容量及安匝数、电压源的电压等级、电缆段绝缘的接地处理、升流器保护设计以及连接引线参数。最终以双出线GIS试验段为对象, 开展了实际测试确认了该双施加无晕电源系统的性能参数。

2 研究基础

2.1 感应通流

升流器实际上是一种专用的单相变压器, 它输出端多工作在接近短路状态, 其输出电流很大, 基本原理线路如图1所示。T为铁心;W1为一次绕组或输入绕组, 其匝数为N1, U1为输入电压;W2为二次绕组或输出绕组, 其匝数为N2, U2为输出电压。

当作为二次绕组的单匝线圈开路时, 其开口电压为:

当作为二次绕组的单匝线圈短路时, 其短路电流为:

作为二次绕组的单匝线圈, 还存在的关系。由于单匝线圈既有电阻分量、又有电感分量, 其构成的负载阻抗, 存在一定的无功消耗。通过无功电源的补偿[15], 可以减小负载阻抗, 进而间接增大二次绕组的单匝线圈生成电流。

与方形铁芯二次绕组线圈匝数固定的升流器相比较, 采用冷轧硅钢片构成的环形穿心式升流器, 在实际的检测应用中具有诸多优点。作为一种变压器, 影响损耗的主要因素有一次绕组的铜损、能量转换时的铁芯损耗、以及绕组与铁芯布置不严密因磁通泄漏而产生的漏抗损耗。在保证铁芯截面不变的情况下, 增大环形穿心式升流器的内部孔径:因一次绕组绕制的范围增大, 同样的匝数下, 其绕组电阻会增大, 等效电感会减小;因铁芯体积增大, 同样的磁通密度下, 其铁芯损耗会增大;因内部孔径增大, 磁通路径变长, 磁通泄漏导致的漏抗损耗以及二次绕组在穿升流器孔径中心且同等布置的条件下的漏抗损耗增大。

分析表明[13、16], 在一定的孔径尺寸变化情况下, 运行升流器的功率损耗是可控的, 它会导致相同阻抗的二次负载回路电流减少, 但通过无功电源补偿, 降低二次负载回路阻抗, 可以弥补功率损耗导致的电流减少损失。

对于等容量设计的升流器, 其安匝数[13]是一个很重要的参数。以SL16型穿心式升流器为例, 其最大容量20k VA, 穿心式输出时, 单匝电压为2V, 则安匝数, 即电流与匝数的乘数, 是10000。此时, 二次回路阻抗。当二次回路阻抗增加到2mΩ时, 可计算得出二次回路电流为1000A。当二次回路阻抗降低到100μΩ时, 可计算得出二次回路电流为20000A。由式 (1) 可以看到, 变换一次绕组的匝数N1, 可以得到不同的单匝电压值, 根据二次通流回路阻抗的实际分布, 可以确定该升流器的安匝数。

2.2 电压施加

若将穿过升流器的套管或电缆段作为闭合金属回路的一部分, 可有效实现对地绝缘问题[14], 如图2、3所示。当电压施加在闭合的金属回路上时, 通过套管或电缆段, 可实现对升流器、支架等接地装置的绝缘。对于图3所示的绝缘方式, 由于电缆段具有一定的弹性, 通过两端的支撑绝缘子固定, 可方便接线。对于图3所示的绝缘方式, 当考虑到套管端部的受力限制时, 也可采用图2所示的支撑绝缘子两端支撑结构。

3 性能分析及结构完善

3.1 性能分析

1) 测试对象的电阻范围、闭合回路的阻抗分布, 升流容量及安匝数的确定, 见表1。

式 (1) 给出了长为a、宽为b、导线半径r0为的单匝矩形电感计算公式[17]。

式中:a—矩形的长度;b—矩形的宽度; ;r0—圆形导线的半径, 且r0≤a, r0≤b;μ0=4π×10-7

假设要对紧贴的两回KGN出线柜进行通流测试, 则估算的回路电阻约为4.18mΩ。按照3m×3m矩形、导线半径0.03m计算, 回路电感为4.9872μH, 回路感抗为1.57mΩ。整个回路的阻抗约为4.47mΩ。

考虑到电缆段1500A长期通流能力的限制, 按2000A的短时通流能力计算, 单匝电压约为22V, 考虑到可能的损耗影响, 单匝电压取值25V, 升流器容量按50k VA设计。理论上可以满足回路阻抗≤12.5mΩ, 通流≤2000A的试验研究。显然该容量对上述紧贴的两回KGN出线柜通流测试, 是完全满足要求的。

2) 结合预制式电缆终端的现场应用、考虑系统长期运行的条件、结合测试对象的范围, 确定施加电压的等级, 见表2。

注:电缆预制式终端通用产品只有110k V (线电压) 及以下等级, 110k V (线电压) 以上等级为充油套管终端。

从表2可以看到, 电缆段绝缘的技术参数在采用预制式终端时, 除通流能力受限外, 在最大穿过外径、产品重量、价格比例方面相较套管有优势, 并且中间的电缆长度可任意调节。为控制升流器孔径过大造成的制造困难及投运潜在风险, 以及升流器穿入套管导致干弧距离缩短引起潜在的电压闪络风险, 本研究选定110k V (线电压) 预制式终端电缆段作为闭合金属回路对地绝缘的实施设备。对于110k V (线电压) 预制式终端电缆段, 1.1倍额定相电压下长期运行是允许的, 可取70k V对地电压为本电源系统的长期运行电压。

3.2 结构完善

1) 电缆段绝缘的接地处理以及升流器保护设计

对于穿入升流器的电缆段, 其在预制式电缆终端根部引出的接地端只能单侧接地, 如图4。若两侧接地, 则构成闭合的二次绕组, 会有大电流通过。一般运行电缆绝缘损伤导致失效易在应力锥部位出现;外绝缘事故也有发生, 但概率较低;而出现电缆本体绝缘损伤失效的情况极少[18、19]。通过在电缆段根部、升流器两侧设置短接的接地保护均压环, 并与电压源的高压尾直接相连并接入地网, 使得发生在此位置处的各类绝缘闪络, 构成最短的放电通道;将升流器及其配套调压器通过绝缘衬垫与支架绝缘, 用专用地线将其与电压源的调压器相连后接入地网, 以尽可能降低电压源闪络对电流源的影响。

2) 基于无晕化、通流能力参数计算校核的连接引线选择方案

针对连接导线, 首先分析计算其起晕场强g0, 然后计算实际表面最大场强gmax, 将两者进行比较。当gmax<80%×g0时, 认为基本没有电晕放电发生[20、21]。

导线表面电晕起始场强计算公式为:

式中,

r0为导线半径;

δ为空气相对密度, 与气压 (海拔) 有关, δ=0.386P/ (273+t) , P为大气压力, 毫米汞柱高;t为温度, ℃。在海拔2100m处δ=0.816;

m为导线表面粗糙度, 按绞线取值0.85。

导线表面最大场强可用镜像法得出, 计算公式为:

其中U为导线电压, H为高度, R为半径。

计算表明导线的半径约为14.7mm时, 在耐受电压不大于100k V时, 可以满足无晕要求。

依照4A/mm2的电流密度[22], 按2000A的通流能力计, 导线的圆截面应不小于500mm2, 合半径约为12.6mm。

综合式 (2) 、 (3) 的计算结果以及满足通流条件的导线半径要求, 并考虑到一定的阈度, 选择截面为700mm2的铜质导线作为连接引线可以满足通流和耐压无晕的要求。