【文章內(nèi)容簡介】 用MATLAB中simulink軟件環(huán)境可以得到仿真電路216所示。仿真結(jié)果如圖217所示[9]。圖216 蓄電池恒流恒壓充電仿真原理圖 圖217(a) 蓄電池充電仿真電壓變化曲線圖217(b) 蓄電池充電仿真電流變化曲線 本章小結(jié)本章主要介紹了太陽能電池的工作原理與其等效電路模型的建立，分析了太陽能電池的輸出特性和光照強度、溫度對輸出特性的影響；介紹了用電導(dǎo)增量法實現(xiàn)的太陽能電池最大功率的跟蹤。還使用MATLAB軟件建立了太陽能電池的模型，對太陽能電池最大功率的跟蹤進(jìn)行了仿真。還闡述了鋰離子電池類型的蓄電池，并介紹了三種常見的充電方式。對恒流恒壓充電方式進(jìn)行了simulink建模與仿真。61 第3章 基于芯片的太陽能手機(jī)充電器設(shè)計 第3章 基于芯片的太陽能手機(jī)充電器硬件設(shè)計作為人們出行隨身攜帶的電子產(chǎn)品，要求太陽能手機(jī)充電器具有體積小、質(zhì)量輕的特點。而作為消費產(chǎn)品，還要求它滿足成本低、可靠性高的特點。本章依據(jù)以上要求，設(shè)計了一款基于集成芯片的太陽能手機(jī)充電器。 (1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 鑒于手機(jī)充電器便攜性的要求，本設(shè)計設(shè)計了一種簡單的太陽能手機(jī)充電器。它的工作過程是：在陽光滿足條件的情況下，太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能存儲在蓄電池中，這樣就可以隨時為手機(jī)充電。在蓄電池的充電管理部分和蓄電池的放電部分都采用專用的芯片來實現(xiàn)，簡化了電路，降低了成本。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。 圖31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (2)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 太陽能電池板的選擇為：,短路電流175mA,最大電流150mA，69mm；蓄電池的參數(shù)選擇為：選擇鋰離子電池作為儲能蓄電池，，額定容量1000mAh；蓄電池的充電控制芯片選為CN3063，蓄電池放電電路的升壓芯片選為MCC6288[10]。 CN3063芯片介紹CN3063是可以用太陽能電池供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。內(nèi)部的8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用。CN3063只需要極少的外圍元器件，并且符合USB總線技術(shù)規(guī)范，非常適合于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時候?qū)⑿酒瑴囟瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。，也可以通過一個外部的電阻調(diào)節(jié)。充電電流通過一個外部電阻設(shè)置。當(dāng)輸入電壓掉電時，CN3063自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于3μA。其它功能包括輸入電壓過低鎖存，自動再充電，電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)、充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能[11]。 (1)特點 內(nèi)部集成有8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流；可利用太陽能電池等輸出電流能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用；輸入電壓范圍： 到 6V片內(nèi)功率晶體管；不需要外部阻流二極管和電流檢測電阻；，也可通過一個外部電阻調(diào)節(jié)；為了激活深度放電的電池和減小功耗，在電池電壓較低時采用涓流充電模式；可設(shè)置的持續(xù)恒流充電電流可達(dá)500mA；采用恒流恒壓恒溫模式充電，既可以使充電電流最大化，又可以防止芯片過熱；電源電壓掉電時自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式；充電狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)雙指示輸出；C/10充電結(jié)束檢測；自動再充電；電池溫度監(jiān)測功能。（2） 工作原理 當(dāng)輸入電壓大于低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3063開始對電池充電。如果電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓低于3V，充電器用恒流充電模式充電電流的10%對電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓超過3V時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由ISET管腳和GND之間的電阻RISET。確定。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓接近電池端調(diào)制電壓時，充電電流逐漸減小，進(jìn)入恒壓充電模式。，并且充電電流減小到充電結(jié)束閾值(恒流充電電流的10%)時，充電周期結(jié)束。如果要開始新的充電周期，只要將輸入電壓斷電，然后再上電就可以了。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓降到再充電閾值以下時，自動開始新的充電周期。芯片內(nèi)部的高精度的電壓基準(zhǔn)源，誤差放大器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確保電池端調(diào)制電壓的誤差在177。1%以內(nèi)，滿足了電池的要求。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進(jìn)入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3uA，從而增加了待機(jī)時間。具有輸入電壓源限流模式，當(dāng)CN3063輸入電壓源的電流輸出能力(帶負(fù)載能力)小于第2管腳的電阻RISET所設(shè)置的充電電流時，器件內(nèi)部的8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動控制充電電流，此時實際充電電流可能小于第2管腳的電阻RISET所設(shè)置的充電電流，能夠使得充電電流最大化，這就是輸入電壓源限流模式。在輸入電壓源限流模式，即使充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的1/10，充電也將繼續(xù)，不會結(jié)束。這樣可以保證即使在輸入電壓源的電流輸出能力很微弱的情況下，也能為電池充電。用戶不需要考慮最壞情況，只要根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設(shè)置充電電流就可以了，所以非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源對鋰電池進(jìn)行充電的應(yīng)用。CN3063芯片內(nèi)部的功率管理電路在芯片的結(jié)溫超過115℃時自動降低充電電流，這個功能可以使用戶最大限度的利用芯片的功率處理能力，不用擔(dān)心芯片過熱而損壞芯片或者外部元器件。這樣，用戶在設(shè)計充電電流時，可以不用考慮最壞情況，而只是根據(jù)典型情況進(jìn)行設(shè)計就可以了，因為在最壞情況下，CN3063會自動減小充電電流。為了防止電池溫度過高或者過低對電池造成的損害，CN3063內(nèi)部集成有電池溫度監(jiān)測電路。電池溫度監(jiān)測是通過測量TEMP管腳的電壓實現(xiàn)的，當(dāng)TEMP管腳的電壓大于46%，芯片正常工作；如果TEMP管腳的電壓小于46%，則CN3063認(rèn)為電池的溫度超出范圍，充電將被暫時停止，當(dāng)TEMP管腳的電壓又重新大于46%，充電會繼續(xù)。如果將TEMP管腳接到地，電池溫度監(jiān)測功能將被禁止。TEMP管腳的電壓是由電池內(nèi)的NTC(或PTC)熱敏電阻和一個片外電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。 (3)參數(shù)設(shè)定 在恒流模式，計算充電電流的公式為： (31)其中 ICH ——充電電流，A； RISET ——ISET管腳到地的電阻，Ω。 本設(shè)計中充電電流設(shè)置為1A，；電源輸入端需要一個旁路電容，一般情況下，22uF的電容可以滿足要求，對電容的類型沒有限制；為了保證充電器正常工作，需要從電池端BAT到GND之間連接一個電容，；VIN與TEMP之間接的片外電阻和熱敏電阻構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)以防止電池溫度過高，片外電阻的推導(dǎo)十分簡單，只要滿足在電池溫度達(dá)到高端溫度保護(hù)點時，在TEMP管腳分得的電壓為46%VIN即可。 CN3063的應(yīng)用電路如圖32所示。圖32 蓄電池充電控制電路 MCC6288芯片介紹 MCC6288系列產(chǎn)品是一種高效率、低紋波、工作頻率高的PFM升壓DCDC變換器。僅需要四個元器,就可完成將低輸入的電池電壓變換升壓到所需的工作電壓。電路采用了高性能、低功耗的參考電壓電路結(jié)構(gòu)，同時在生產(chǎn)中引入修正技術(shù)，保證了輸出電壓的高輸出精度及低溫度漂移。內(nèi)置EN使能端，可控制變換器的工作狀態(tài)，可使它處于關(guān)斷省電狀態(tài)，功耗降至最小。MCC6288是一款BOOST 結(jié)構(gòu)、電壓型PFM控制模式的DCDC轉(zhuǎn)換電路。芯片內(nèi)部包括輸出 電壓反饋和修正網(wǎng)絡(luò)、啟動電路、震蕩電路、參考電壓電路、PFM 控制電路、過流保護(hù)電路以及功率管。MCC6288所需的外部元器件非常少，只需要一個電感、 的穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。PFM控制電路是MCC6288的核心，該模塊根據(jù)其他模塊傳遞的輸入電壓信號、負(fù)載信號和電流信號來控制功率管的開關(guān)，從而達(dá)到控制電路恒壓輸出的作用。在PFM控制系統(tǒng)中，固定震蕩頻率和脈寬，穩(wěn)定的輸出電壓是根據(jù)輸入輸出電壓比例以及負(fù)載情況通過削脈沖來調(diào)節(jié)在單位時間內(nèi)功率管導(dǎo)通時間來實現(xiàn)。震蕩電路提供基準(zhǔn)震蕩頻率和固定的脈寬。參考電壓電路提供穩(wěn)定的參考電平。并且由于采用內(nèi)部的修正技術(shù)，保證了輸出電壓精度達(dá)到177。%，同時由于參考電壓經(jīng)過精心的溫度補償設(shè)計考慮，使得芯片的輸出電壓的溫度漂移系數(shù)小于100ppm/℃。高增益的誤差放大器保證了在不同輸入電壓和不同負(fù)載電流情況下穩(wěn)定的輸出電壓。為了減小輸出電壓的紋波和噪聲，誤差放大器采用施密特比較器結(jié)構(gòu)，同時具備很快的響應(yīng)速度。BOOST結(jié)構(gòu)DCDC轉(zhuǎn)換器的功率損耗主要是由于電感的寄生串聯(lián)電阻、肖特基二極管的正向?qū)▔航?、功率管的?dǎo)通電阻以及控制功率管信號的驅(qū)動能力這四個方面，當(dāng)然芯片本身消耗的靜態(tài)功耗在低負(fù)載的情況下也會影響轉(zhuǎn)換效率。為了獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，除了用戶選擇合適的電感、肖特基二極管和電容外，芯片內(nèi)部的功率管導(dǎo)通電阻也非常小。功率管有驅(qū)動能力很強的驅(qū)動電路驅(qū)動，保證功率管開關(guān)時的上升沿和下降沿很陡，大大減小了開關(guān)狀態(tài)時的功率損耗。 首先定義： (32)： (33)可計算得電感值為：，本設(shè)計中取值為10μH。： (34)可計算的輸出電容為：14μF，本設(shè)計中取值為：15μF。：正向?qū)妷旱?、反?yīng)時間快的肖特基二極管IN5820，峰值反向電壓VRRM =20V，正向平均整流電流IF=3A,正向?qū)▔航礦F=。 以上的濾波電容，用于減小輸出的噪聲。 MCC6288的應(yīng)用電路如圖33所示。圖33 MCC6288應(yīng)用電路 本章小結(jié) 本章主要介紹了基于集成芯片的太陽能手機(jī)充電器的硬件電路設(shè)計，重點介紹了蓄電池充電控制芯片CN3606與放電升壓芯片MCC6288的功能及應(yīng)用電路設(shè)計。第4章 基于MPPT的太陽能手機(jī)充電器設(shè)計 第4章 基于MPPT的太陽能手機(jī)充電器硬件設(shè)計 第3章所設(shè)計的基于集成電路的太陽能手機(jī)充電器能夠很大程度上簡化電路的設(shè)計，降低耗能，減少生產(chǎn)成本。但是，它也存在一些缺陷：無法使太陽能電池工作在最大功率處，不能夠?qū)崿F(xiàn)真正的智能控制，沒有顯示設(shè)備，而且集成電路對電路的散熱要求更高，修理成本高。因而，本章將重點介紹一種以單片機(jī)為核心的能實現(xiàn)MPPT的太陽能手機(jī)充電器的設(shè)計。它可以檢測到電池充電飽和時的電壓信號變化，然后精準(zhǔn)地結(jié)束充電。它還有許多的優(yōu)點，如可靠性高、操作簡單，具有安全性和通用性等, 代表著未來充電器發(fā)展方向。 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計要求本設(shè)計要完成的主要任務(wù)是：太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并把電能儲存在蓄電池中，為手機(jī)提供穩(wěn)定的充電電源。具體包括：在恒流充電階段能夠自動調(diào)整太陽能電池的負(fù)載，以實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤；太陽能充電器在陽光下能夠給蓄電池進(jìn)行充電，也可以為手機(jī)充電，蓄電池在任何時候可以提供穩(wěn)定的電源給手機(jī)充電；系統(tǒng)具有充放電選擇和指示功能[]。 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計 。本設(shè)計選擇的太陽能電池板的參數(shù)具體為：,最大電壓4V,，峰值功率5W。 。選擇型號為PL526067M的鋰離子電池作為儲能蓄電池，，額定容量2200mAh。 。輸入電壓的額定值為4V,。 。 。，輸出電壓是5V，輸出電流1A，工作頻率50KHz。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計所設(shè)計的太陽能手機(jī)充電器主要包括以下幾個部分：太陽能電池板、蓄電池充電電路、蓄電池放電電路、控制電路、按鍵及顯示電路。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。 圖41 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 當(dāng)選擇為蓄電池充電模式時，太陽能電池后所加BOOST電路的作用是:，輸出100mA的電流進(jìn)行預(yù)充電；，即在恒流充電階段，首先進(jìn)行太陽能電池的最大功率跟蹤(通過PWM控制變換器的占空比，來調(diào)整太陽能電池的負(fù)載為最佳匹配負(fù)載，通過直接檢測太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，連續(xù)計算太陽能電池的輸出功率，通過尋優(yōu)的方法來獲得太陽能電池的最大輸出功率)，輸出電流會逐漸上升直至達(dá)到闕值(最大充電電流值1A)，中止最大功率跟蹤開始恒流充電，當(dāng)外界條件發(fā)生變化使輸出電流小于最大充電電流時，則轉(zhuǎn)入最大功率跟蹤直到輸出電流達(dá)到闕值，如此電路在最大功率跟蹤與恒流充電方式自由切換，；在恒壓充電階段。當(dāng)選擇為手機(jī)直接充電時，BOOST電路將太陽能電池的輸出電壓升壓到穩(wěn)定的5V，直接對手機(jī)充電。 放電電路是BOOST升壓電路，將蓄電池輸出的電壓升壓到5V，為手機(jī)提供穩(wěn)定的電源進(jìn)行充電。 控制電路的核心器件是單片機(jī)，具體的電路包括:單片機(jī)外圍電路、采樣電路、驅(qū)動電路、輔助電源電路?？梢愿鶕?jù)采樣的太陽能電池輸出的電壓與電流信號，調(diào)節(jié)BOOST電路占空比來實現(xiàn)太陽能最大功率跟蹤和蓄電池充電控制；可以根據(jù)蓄電池兩端電壓信號的檢測判斷是否可以充放電，保護(hù)蓄電池；可以根據(jù)蓄電池輸出電壓信號的檢測，調(diào)節(jié)放電電路BOOST電路占空比使輸出電壓穩(wěn)定。 具體硬件電路的設(shè)計 基于MPPT的蓄電池充電控制電路設(shè)計圖42 最大跟蹤電路圖 太陽能電池的最大功率跟蹤電路如圖42所示，包括了屏蔽二極管、電壓檢測電路、電流檢測電路以及BOOST電路。 (1)屏蔽二極管 屏蔽二極管的作用是用來防止太陽能電池輸出電壓低于蓄電池兩端電壓時，蓄電池向太陽能電池倒送電能從