環(huán)保型電容儲能式電蚊拍的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

謝應(yīng)然，楊元凱，何義植

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山 528137；2.佛山拓世電子科技有限公司 廣東 佛山 528137）

目前我國每年生產(chǎn)超過180億粒電池，而回收率不夠2%。這些廢舊電池隨意丟棄在生活垃圾中，既污染了環(huán)境，又浪費(fèi)了寶貴的金屬資源[1]。而廢舊電池回收處理技術(shù)高、利潤低，再生利用率回收進(jìn)程就目前并不樂觀。

近年來由于得到國家節(jié)能減排政策的大力扶持，超級電容行業(yè)也如雨后春筍般成長起來。超級電容器（EDLC）是一種電化學(xué)元件，它的功率密度遠(yuǎn)高于鋰電池，且儲能過程是可逆的，因此EDLC反復(fù)充放電可以達(dá)到數(shù)十萬次；壽命達(dá)10年以上，且不會造成環(huán)境污染。超級電容的儲能具有超功率密度，EDLC有望在短期內(nèi)部分或全部替代傳統(tǒng)的電源供應(yīng)，成為一種主流的電源器件；EDLC可以廣泛的應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的電源，其應(yīng)用從計算機(jī)、手機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)/攝像機(jī)、無繩電話、家用電器到電動玩具、電子手表、電筒以及各類便攜設(shè)備等不一而足[2]。

電池在人們的生產(chǎn)和生活中不可或少，然而電池的廉價輕便等特點(diǎn)使成千上萬的廢舊電池被隨意的丟棄，對環(huán)境的污染日益嚴(yán)峻；針對消費(fèi)電子產(chǎn)品電池污染問題，既要對廢舊電池回收進(jìn)行循環(huán)利用，又要開發(fā)高效、低耗、低污染的新型環(huán)保電源產(chǎn)品，這是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，構(gòu)建資源節(jié)約型社會的重要舉措。

環(huán)保型電容儲能式電蚊拍改進(jìn)原有電蚊拍的優(yōu)點(diǎn)，更為重點(diǎn)是突破傳統(tǒng)做法，應(yīng)用超級電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)（蓄電）電池作為儲能裝置，革新傳統(tǒng)的儲能形式。用電池作電蚊拍電源，每年需要更換2次以上；用充電電池作電蚊拍電源，充電電池一般1～3年后失效，電蚊拍由此可能廢棄。超級電容具有諸多特點(diǎn)：壽命超長可千萬次反復(fù)地充、放電；安全可靠，儲能巨大，充放電效率高（98%）；超級電容器是綠色能源（活性炭），不污染環(huán)境；相對成本低，超級電容器價格比鉛酸電池高一倍在大量生產(chǎn)后價格還會下降，但超級電容器的壽命比鉛酸電池高20～200倍，這點(diǎn)對替代現(xiàn)有很多電子產(chǎn)品電源而產(chǎn)業(yè)化非常重要[3]。電容儲能式電蚊拍源于超級電容這些卓越特點(diǎn)而設(shè)計。電蚊拍超級電容電源電路引用了電源芯片TPS61200，電源芯片TPS61200把超級電容變化的電壓（0.3～7 V）可轉(zhuǎn)換成3.3 V的穩(wěn)定電壓輸出，作為電蚊拍電路組件電源。這樣，電蚊拍將不再存在電池，從而可以不考慮電池壽命對電蚊拍的影響，極大延長了電蚊拍的使用時間，實(shí)現(xiàn)高效率節(jié)能、綠色環(huán)保、壽命長。

1 電源芯片TPS61200

芯片TPS61200系列是一款超低輸入電壓升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。該系列在Ta=-40～+85℃工作溫度范圍內(nèi)，最低輸入電壓為0.3 V；單個芯片就能組成升壓式電源，效率較高[4]。

1.1 特點(diǎn)

TPS61200系列的主要特點(diǎn)：效率高；自動轉(zhuǎn)換成升壓模式或降壓模式；靜態(tài)電流??；輸入電壓在0.5 V時，在滿負(fù)載時也能啟動工作；輸入工作電壓范圍寬；輸入低電壓鎖存的電壓可設(shè)定；有輸出短路保護(hù)；有輸出電壓可設(shè)定及固定輸出的3種選擇（如表1所示）。

表1 TPS61200全系列芯片Tab.1 Corresponding output voltage TPS61200 all series chip

1.2 引腳排列與功能

TPS61200系列的引腳排列如圖1所示，各引腳功能如表2 所示[5]。

圖1 TPS61200的引腳排列Fig.1 TPS61200 pins are arranged

表2 TPS61200引腳功能Tab.2 TPS61200 pin function

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

TPS61200系列主要極限參數(shù)：輸入電壓為0.3～7 V（包括VIN、L、VAUX、VOUT、PS、EN、FB、UVLO 端）。 建議工作條件：VIN=0.3～5 V。TPS61200系列主要電特性參數(shù)：可調(diào)輸出電壓為1.8～5.5 V；固定3.3 V輸出電壓允差±0.03 V；固定5.0 V輸出電壓允差 ±0.05 V；內(nèi)部平均開關(guān)電流限制為1 350 mA；靜態(tài)電流典型值50μA；關(guān)閉狀態(tài)時耗電小于2μA；開關(guān)管開關(guān)頻率 1 250～1 650 kHz。

TPS61200的應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 TPS61200典型應(yīng)用電路Fig.2 TPS61200 typical application circuit

圖2 是一種輸出電壓可設(shè)定的電路。輸出電壓VOUT與外接電阻分壓器R1、R2有關(guān)，如下式所示：

式（1）中，VFB=500 mV，R1可設(shè)為 1 MΩ，則可求出 R2值。例如，要求VOUT=3.3 V，代入上式可求出R2=178.57 kΩ，可取標(biāo)準(zhǔn)電阻值180 kΩ。

2 超級電容

世界著名科技期刊美國《探索》雜志2007年1月號，將超級電容器列為2006年世界七大技術(shù)發(fā)現(xiàn)之一，認(rèn)為EDLC是能量儲存領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性發(fā)展，并將在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)蓄電池[6]。超級電容可取代電池作為小型用電器電源，電動玩具、數(shù)字鐘、照相機(jī)等均可能采用超級電容器作為電源。因EDLC的循環(huán)壽命長，綜合考慮其作為電源比采用電池更合算。

下面就本例設(shè)計針對EDLC存貯電量進(jìn)行分析：電蚊拍供電時間與EDLC存貯電量多少有直接關(guān)系，對EDLC存貯電量分析設(shè)計：兩電容采用串接，每個電容選用容量100 F，則電容容量為50 F。設(shè)計滿電壓5.0 V，50 F EDLC儲存電量為：50 F*5.0 V=250 C（庫侖），電壓下限是 0.3 V，電容放電的有效電壓差為5.0 V－0.3 V=4.7 V，所以有效電量為235 C。維持供電時間計算：235 C=235 A*S（安秒）=235 000 mAS（毫安秒）=65 mAh（毫安時），若電流消耗以120 mA提供給電蚊拍升壓電路，則供電時間為：65 mAh/120 mA=0.54 h=0.54*60 min=32 min（維持時間32分鐘）。

電蚊拍設(shè)置了快速充電功能，充電時間主要取決于充電電源性能，充電電流越大，充電時間就越短。根據(jù)上面計算分析可得出，充滿電后電蚊拍至少可持續(xù)工作半小時以上。

3 電路設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

使用EDLC能存儲電能，工作電壓隨輸出電流會逐步變低，不能直接作為電源來使用，所以我們對EDLC輔以轉(zhuǎn)換電路及附加電路優(yōu)化設(shè)計來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，EDLC及轉(zhuǎn)換電路作為穩(wěn)壓電源替代電池，電蚊拍電路由穩(wěn)壓電源供電，保證其正常工作。本設(shè)計對充電端口進(jìn)行了完善，更加人性化，不僅設(shè)有220 V交流充電端口，而且還設(shè)置了快速充電口，2～3分鐘充電時間就能充滿。本設(shè)計充電口采用micro USB插座，可方便用手機(jī)充電器、電腦USB口進(jìn)行充電。

3.2 電路工作原理

電路原理圖如圖3所示。電路由充電部分、轉(zhuǎn)換電路、電蚊拍電路3部分組成。

充電部分由阻容降壓、整流、過壓保護(hù)電路及穩(wěn)壓模塊組成。

阻容降壓電路[7]由 C1、R1、R0等組成，電容 C1的作用為降壓和限流，由電容的特性知，其容抗XC為：

式（2）中，XC：表示電容容抗 f：表示輸入交流電源頻率C：表示降壓電容的容量。

流過降壓電容的電流為：

式（3）中，I：流過電容的電流，U：表示電源電壓，R：表示等效負(fù)載電阻值。

圖3 超級電容儲能式電蚊拍電路Fig.3 EDLCelectric mosquito swatter circuit principle diagram

在220 V、50 Hz的交流電路中，當(dāng)負(fù)載電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于降壓電容二端的電壓時，可由式（3）知，電流與電容的有下面近似關(guān)系：

式（4）中，電容的單位為μF，電流的單位為mA。

表3為在220 V/50 Hz的交流電路中，理論電流與實(shí)際測量電流的比較：

表3 理論電流與實(shí)際測量電流的比較Tab.3 The comparison of theory and actual measuring current

電阻R1為泄放電阻，C1選用2.2μF的電容，電容器與負(fù)載一定時，電路具有恒流特性；因負(fù)載電壓相對不大，充電電流可估算150 mA左右。R0是限流電阻，對浪涌電流有抑制作用。通過阻容降壓后，再將交流電壓整流成脈動的直流電壓，提供給由LM317構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路用來限制超級電容的充電電壓。

過壓保護(hù)電路由 SCR1、R4、Z1、R2等構(gòu)成。 當(dāng)超級電容達(dá)到規(guī)定充電電壓值時，三端穩(wěn)壓電路不再給超級電容充電，三端穩(wěn)壓塊輸入腳電壓會急劇升高，LM317很容易被擊穿。但是當(dāng)電壓升高到設(shè)定值（由Z1穩(wěn)壓值確定）時，會觸發(fā)單向可控硅導(dǎo)通。同時，即在繼續(xù)市電充電狀態(tài)，也不會對電路由任何影響，起到過充保護(hù)作用（見圖4變化波形B）。三端穩(wěn)壓塊輸入腳電壓會大大降低，LED指示燈點(diǎn)亮，指示超級電容已充滿。

穩(wěn)壓模塊采用的是可調(diào)LM317穩(wěn)壓電路，LM317的調(diào)整后的輸出電壓5.5 V，這樣可以在市電充電時超級電容不會過充電，保證超級電容充電電壓在5.0 V范圍內(nèi)。

用USB口充電的時，手機(jī)充電器與電腦USB口電壓在5 V或以下，給超級電容充電電壓總是在5 V以下；超級電容充電電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，保證了其工作的安全性。

轉(zhuǎn)換電路主要由TPS61200及外部元件構(gòu)成升壓電路組成。當(dāng)超級電容器的電壓在0.3～5.0 V時，轉(zhuǎn)換電路能將電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V的穩(wěn)定電壓，提供給電蚊拍電路使用。TPS 61200輸出的穩(wěn)定電壓還供給照明電路使用，照明電路由R5、R6、R7實(shí)現(xiàn)恒流供給照明LED燈，保證照明LED穩(wěn)定的工作。

電蚊拍電路[8]由振蕩電路、倍壓整流電路構(gòu)成。穩(wěn)壓模塊提供3.3 V電壓，振蕩電路產(chǎn)生交流電壓，通過倍壓整流產(chǎn)生高壓直流電壓，提供給電蚊拍網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)高壓滅蚊。

3.3 仿真分析

下面對充電電路進(jìn)行仿真，為利于觀察，將超級電容改小容量，仿真測試三端穩(wěn)壓塊輸入腳與超級電容電壓波形變化情況。

參考圖3，將示波器的輸入通道A連接到超級電容的正極，這時測得的波形是超級電容充電電壓的變化情況；將示波器的輸入通道B連接到三端穩(wěn)壓塊LM317輸入腳，這時測得的波形是整流出來的脈動直流在充電過程中脈動電壓的變化情況。如圖4所示，脈動直流電壓是一個緩慢升高的梯形波，超級電容被充電，電壓緩慢上升。超級電容電壓充電達(dá)到滿值時，三端穩(wěn)壓塊輸入腳電壓會急劇升高，升高到設(shè)定值時，會觸發(fā)單向可控硅導(dǎo)通。參見游標(biāo)坐標(biāo)位置變化波形，繼續(xù)市電充電狀態(tài)，超級電容充電電壓維持不變（A通道波形），綠燈亮指示市電充電已滿。在滿電狀態(tài)下，從波形可看出整流后的電壓不高，電源部分功耗很低，不會對電路有任何影響，起到過充保護(hù)作用。由上分析可知該電路設(shè)計滿足控制要求。

圖4 電壓波形變化情況Fig.4 LM317 input voltage and EDLCcharging voltage waveform changes

4 結(jié) 論

針對本文設(shè)計的電蚊拍經(jīng)過試用測試，達(dá)到了預(yù)期的效果，快速充滿一次電的時間大概在2分鐘左右，而充一次電可以連續(xù)使用兩到三個小時。使用蓄電池儲能的電蚊拍一般只有2～3年時間壽命，而新產(chǎn)品使用壽命與EDLC等同，有10年以上。按此計算，利用新技術(shù)電蚊拍產(chǎn)品不僅環(huán)保，而且相對要省錢3倍以上。因此，新產(chǎn)品在市場具有較強(qiáng)的競爭力與巨大的社會效益。

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