多功能太阳能充电宝设计
多功能太阳能充电宝设计
刘虹;杨坚
【摘 要】针对现在便携式产品电池储存容量被产品尺寸制约所造成的电池续航能力不足的问题,设计了一款太阳能充电宝,以解决电池充电的问题,同时满足充电宝便携式电源的应用.本实验设计的充电宝可以兼容为多种电子设备充电.一方面利用太阳能电池板光伏效应,将其产生的不稳定的电能经由LT3652,对锂电池进行充电,并通过对太阳能光伏板最大功率跟踪,提高了充电宝使用效率.另一方面,利用ZS6288集成移动电源管理芯片,实现了常用直流充电方式,对锂电池充放电进行管理.最终的产品实现了在室内和室外两种情况下完成充电.
【期刊名称】《传感器世界》
【年(卷),期】2017(023)004
【总页数】5页(P32-36)
【关键词】充电宝;太阳能;LT3652;ZS6288;最大功率跟踪
【作 者】刘虹;杨坚
【作者单位】北京信息科技大学,北京100192;北京信息科技大学,北京100192
【正文语种】中 文
【中图分类】TM615
一、前言
随着时代的发展，手机、数码相机等电子产品被人们广泛应用。人们对于电子产品的续航能力也有了更高的要求。目前，市场的便携式充电产品，缺少安全规范，有很多不安全隐患，并且续航能力也有待提高。
针对这种情况，本文提出直流直充和太阳能充电并用的两种方式的充电产品，可以有效的解决目前充电产品的安全性能和续航能力。
二、系统的硬件电路设计
系统的原理框图如图1所示。硬件设计主要分为两部分：基于ZS6288充电宝电源管理模块和基于LT3652太阳能充电模块。同时设计有电池保护电路，可以实现对电池的保护，延长电池的使用寿命。
充电宝电源管理模块是整个设计的核心部分，可以实现通过常用直流电源接口的方式为电池充电、为电子产品充电、应急手电筒的功能[1]。充电宝的放电功能在该模块，设计了两个放电接口，放电电流分别为1A和2A，以实现为不同的电子设备充电的需求；另外，还设计了LED手电功能，可以实现在户外时的临时照明功能[2]。该模块设计的充电方式为常用直流电源接口供电方式，可以实现在室内时充电宝的电池续航。
太阳能充电模块可以实现通过太阳能电池板为电池充电的功能，在光伏板降压部分，实现最大功率跟踪算法，用来提高光伏板发电效率，以实现户外时充电宝的电池续航。
1、充电宝电源管理模块设计
该模块的设计方案是设计两个放电接口，用来实现电子产品的兼容性，此次设计中电源管理芯片使用ZS6288，该芯片是一款集成了DC-DC升压、输出限流、电池充放电管理、电
池电量显示、LED手电筒功能、按键控制的电源管理芯片，外围电路简单，再配合相应的外围电路即可实现对锂电池的充放电管理，可以实现1A、2A两个输出电流的设计，效率比较高，价格比较合理，且调试简单。
图2是ZS6288电源管理电路原理图。
在充电管理部分，接在芯片16脚SNS和15脚BAT之间的采样电阻R的取值是关系到充电电流大小的关键因素，可以实现系统的三段式充电，及涓流充电、恒流充电、恒压充电。
放电管理部分，芯片5脚VIN用来检测电源的电压，当输入电压为3.3V以下时，认为电源适配器掉电，升压系统可以工作。在系统进行升压功能的时候，主要是经过8脚CS来随时检测负载电流的大小，如果负载电流一直不断上升，那么到达限流值的时候，输出电压就会下降，直到不再升压，即负责升压的MOS管关断，同步整流 PMOS 打开。
保护功能部分，当电路中出现短路的情况或者输入电压超过6V时，14脚CTR输出低电平，于是与之相连接的NMOS管关断，从而关闭USB输出。
电量显示部分，通过管脚10～13连接的4个LED灯的亮灭来显示电量。
手电筒功能，通过9脚连接的按钮来控制手电筒的亮灭，当长按按钮时，6脚WLED输出高电平从而驱动NMOS管导通从而使LED灯亮起。
USB输出部分，USB1与USB2的2脚和3脚并联的电阻是为了实现自动识别电子产品的充电电流，从而达到限流不会烧坏电子产品而设置的。
2、太阳能充电模块的设计
本设计LT3652 作为充电管理芯片。当LT3652由太阳能电池板供电时，输入调节环路用于维持在峰值输出功率的附近，使光伏电池板保持在最大峰值功率输出点，效率高[3]。图3所示为系统太阳能充电电路[4]。
引脚1-Vin作为电源输入，为芯片工作以及充电功能模块提供电源，输入范围是4.95V～34V；
引脚2-Vin_REG为输入电压调节参考，这通常用于为太阳能电池板的峰值功率跟踪，即能根据输入电压的大小自动调整充电电流；
引脚为精密阈值关断引脚，将该输入引脚置低，即关闭芯片充电功能； 如果 引脚被拉低小于0.4V时，IC进入低电流关断模式；
引脚为充电指示输出脚，当充电电流高于1/10 C时，该引脚输出呈高阻态，表明正在充电，当充电电流低于1/10 C时，该引脚输出低电平，表明充电结束[5]；
引脚为出错告警输出脚，低电平有效；此引脚指示在电池充电周期期间的故障情况，如果没有故障条件存在保持高阻抗；
引脚6-TIMER为充电时间周期设置脚，如果基于定时器的充电需要，可以从这个引脚对地连接一个电容，进而进行控制；
引脚7-VFB为充电电压环路检测脚，基准电压为3.3V；
引脚8-NTC电池温度监测端；
引脚9-BAT为充电输出监测脚；一旦充电循环被终止，BAT引脚的输入偏置电流降至〈0.1μA，而充电器保持连接，以减少电池放电[6]；
引脚10-SENSE为充电电流检测脚[7]，该脚和BAT脚之间固定电压为0.1V；
引脚11-BOOST为升压脚，为芯片内部开关提供驱动；
引脚12-SW为开关输出脚，切换输出引脚；
充电宝充不进电
引脚13-SGND，接地，需保证足够的散热。 焊接露出引线框架到PCB接地平面。
3、充电电池的选择
锂电池的工作电压为3.7V，而镍镉、镍氢电池的工作电压只是锂电池的三分之一[8]，而且相比于其他充电电池，锂电池循环寿命较长，也没有记忆功能，可以随用随充，而且锂离子电池对环境污染很小，属于环保电池。因此本设计的采用的是两节18650锂电池的并联的方式。
4、电池保护电路的设计
充电宝的电池若过度放电，会造成的电压过低；过度充电又会造成电压过高，都会对电池的寿命造成影响，因此需要设计电池保护电路才防止过充、过放。此设计利用DW01芯片
对其进行保护，该芯片拥有过度充电、过度放电以及短路、过流保护的功能。
电池保护电路原理图如图4所示。该模块的保护电路主要由一个保护芯片DW01和两个并联的8205（N沟道增强MOSFET）。DW01主要是检测MOS管的漏极和源极间的电压[9]来实现过流保护。电路需要较大的工作电流，想要增大过流保护的值得时候，就可以通过减小MOS管的内阻来实现[10]。通过并联的方式可以减小MOS管的导通内阻。
三、硬件电路实现
调试硬件电路，首先对电路通过多孔板和直插元器件进行搭建，看电路是否可以达到应有的功能。确认电路无误后进行电路板的印刷，在焊接电路板之前应该检查相应的印刷电路板得每条线是否都接对，用万用表的二极管来检测是否有误接。在焊接ZS6288时，因为管脚小而密，所以焊接的时候要主要焊锡量的控制[11]，焊锡过多有可能导致管脚互相连接在一起，因此焊好后要用万用表测试，保证管脚之间没有连接。LT3652芯片背面有一个中央接地，因此在焊接的时候需要吹焊的方式进行焊接，接好后也需要注意测量各个管脚的状态。而且电路所使用的元器件大多为贴片的，因此在焊接过程中每焊好一个元器件都要测试一下[12]，看看元件是否焊接完好，有没有虚焊、短接，确保每个元器件的焊接都没问题，
这样才能保证电路最后顺利调试[13]。而且检查电路的时候也会更加方便，即使电路出现问题，出问题的点也比较好盘查。
四、实验
对本设计的两部分模块分别进行了实验设计，充电宝电源管理部分进行了充放电实验设计。对于太阳能充电模块进行了充电实验设计。通过实验设计来检验模块的功能是否实现。
将充电宝锂电池电量放空（电池电压为3.40V），太阳电池板放到室外，测试该模块的电池充电能力，由于太阳能电池板的功率比较小以及受天气的影响，根据不同天气对太阳能充电模块进行测试，但由于近期雾霾天气因素影响，实验数据单一，其相关数据如表1。对电源管理充放电部分也进行了相关充电实验的记录如表2所示。
表1 太阳能充电实验数据表辐照强度 温度 充电时间 充电量30×100μW/cm2 10℃ 3h 0.2V 33×100μW/cm2 9℃ 3h40min 0.33V

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