便攜式電子產(chǎn)品光伏充電器硬件電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

摘" 要：為解決智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品的戶外充電需求，光伏充電器應(yīng)運(yùn)而生。光伏充電器的硬件部分包括太陽(yáng)能電池板、蓄電池以及各類電路，該文重點(diǎn)對(duì)光伏充電器硬件電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試展開研究分析。首先介紹單片機(jī)主控電路、電源電路、充電電路與蓄電池溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，隨后對(duì)太陽(yáng)能電池以及各類電路進(jìn)行調(diào)試。結(jié)果表明，太陽(yáng)能電池的光生電流和光生電壓與光照強(qiáng)度成正比；使用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路仿真，充電電路的輸出電壓為穩(wěn)定的5 V，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路處理后以4.2 V電壓向蓄電池充電。溫度檢測(cè)電路可以在蓄電池滿電后自動(dòng)斷開、避免過(guò)充，保護(hù)蓄電池。

關(guān)鍵詞：光伏充電器；電源電路；恒壓電路；太陽(yáng)能電池；蓄電池

中圖分類號(hào)：TM615" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）17-0111-04

Abstract： In order to solve the outdoor charging demand of smart phones， digital cameras and other portable electronic products， photovoltaic charger emerges at the historic moment. The hardware part of photovoltaic charger includes solar panel， battery and various circuits. This paper focuses on the design and debugging of photovoltaic charger hardware circuit. This paper firstly introduces the main design points of SCM main control circuit， power supply circuit， charging circuit and battery temperature detection circuit. The results show that the photogeneration current and photogeneration voltage of solar cells are proportional to the intensity of light; when Multisim simulation software is used for circuit simulation， the output voltage of the charging circuit is stable 5V， and the battery is charged with a voltage of 4.2V after being processed by the voltage regulator circuit. The temperature detection circuit can be automatically disconnected after the battery is fully charged to avoid overcharging and protect the battery.

Keywords： photovoltaic charger; power circuit; constant voltage circuit; solar cell; battery

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是目前技術(shù)較為成熟、轉(zhuǎn)化效率較高的一種清潔發(fā)電技術(shù)，光伏充電器的原理就是利用太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后使電壓相對(duì)恒定，然后為蓄電池充電。光伏充電器內(nèi)部包含了多種類型的硬件電路，例如保證單片機(jī)采集信息和發(fā)送指令的主控電路，為蓄電池充電的充電電路，以及為避免蓄電池過(guò)充而設(shè)計(jì)的蓄電池溫度檢測(cè)電路等。科學(xué)設(shè)計(jì)硬件電路并進(jìn)行硬件調(diào)試，或者是仿真軟件的支持下開展仿真調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果不斷優(yōu)化電路，才能保證光伏充電器的安全和高效使用。

1" 光伏充電器硬件電路設(shè)計(jì)

1.1" 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光伏充電器選用Atmel公司生產(chǎn)的Atmega48型單片機(jī)作為主控電路的核心。該單片機(jī)在接收采樣電路上傳的模擬信號(hào)后進(jìn)行分析，并根據(jù)程序生成相應(yīng)的指令，以PWM信號(hào)的方式傳遞到前端驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電路的開閉來(lái)控制功率開關(guān)管的通斷。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，單片機(jī)主控電路又可分為時(shí)鐘電路與復(fù)位電路。時(shí)鐘電路的作用是確保單片機(jī)在工作時(shí)各項(xiàng)工作都能按照時(shí)間順序進(jìn)行。本文利用Atmega48單片機(jī)的第9（XTAL1）和第10（XTAL2）2個(gè)引腳構(gòu)建內(nèi)部時(shí)鐘，2個(gè)引腳的引出線分別連接在3.7 MHz晶體振蕩器的兩端，并且在晶振的兩側(cè)接入一個(gè)容量為30 pF的電容[1]。復(fù)位電路的作用是進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，本文使用Atmega48單片機(jī)的RESET引腳構(gòu)建復(fù)位電路，當(dāng)該引腳經(jīng)過(guò)一個(gè)低電平后即可完成復(fù)位，復(fù)位電路如圖1所示。

圖1中，在VCC通電的瞬間，電容C8為短路狀態(tài)，此時(shí)RESET端為低電平。隨著二極管快速放電，RESET端在得電位后快速上升為高電平，達(dá)到復(fù)位的目的。

1.2" 電源電路設(shè)計(jì)

1.3" 充電電路設(shè)計(jì)

在太陽(yáng)能電池板接入充電電路后，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)主開關(guān)，利用蓄電池溫度檢測(cè)電路判斷蓄電池是否需要充電。如果蓄電池為滿電狀態(tài)，則主開關(guān)斷開，不充電；如果蓄電池的電量不滿，則主開關(guān)閉合，才能使太陽(yáng)能電池板將轉(zhuǎn)化后的電能輸入到充電電路中。主開關(guān)之后連接一個(gè)紅色發(fā)光二極管，若發(fā)光表明正在充電。另外，為了避免出現(xiàn)蓄電池電壓高于太陽(yáng)能電池板電壓進(jìn)而出現(xiàn)“反向充電”的情況，在設(shè)計(jì)充電電路時(shí)還加入了一個(gè)防反沖的肖特基二極管[2]。利用Atmega48單片機(jī)的ADC0引腳和ADC1引腳接收太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電的自動(dòng)調(diào)控。另外，考慮到太陽(yáng)能電池板的輸出電流較?。ㄟ_(dá)不到0.1 mA），遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到過(guò)流損壞蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)，因此基于成本考慮在充電電路中并未設(shè)計(jì)大電流保護(hù)電路。

1.4" 恒壓電路設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高充電效率和延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，本文設(shè)計(jì)了恒壓電路。Atmega48單片機(jī)會(huì)每隔一段時(shí)間采集一次蓄電池的當(dāng)前電壓值，當(dāng)實(shí)時(shí)電壓達(dá)到4.2 V后恒壓電路閉合，開始以4.2 V恒定電壓充滿蓄電池的剩余容量。恒壓電路如圖2所示。

1.5" 電池充滿指示電路

本文選擇了一種倒計(jì)時(shí)的方式來(lái)確認(rèn)充電是否完成。當(dāng)光伏充電器開始以4.2 V恒壓向蓄電池充電時(shí)，開始進(jìn)入5 min的倒計(jì)時(shí)。倒計(jì)時(shí)結(jié)束后表示蓄電池已經(jīng)被充滿電。這時(shí)電池充滿指示電路會(huì)給PB3一個(gè)高電平，綠色發(fā)光二極管亮起，完成充電。

1.6" 蓄電池溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

便攜式電子產(chǎn)品的電池溫度通常適合在0～40 ℃環(huán)境下工作，如果溫度太低會(huì)導(dǎo)致電池放電過(guò)快、電量明顯衰減；如果溫度太高，又會(huì)增加電池燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。因此，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)蓄電池溫度檢測(cè)電路從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池溫度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。這里以手機(jī)電池為例，自定義溫度上限為40 ℃，當(dāng)蓄電池溫度檢測(cè)電路檢測(cè)到實(shí)際溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，需要停止充電[4]。該電路的組成如圖3所示。

2" 光伏充電器硬件系統(tǒng)的調(diào)試

2.1" 太陽(yáng)能電池特性測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的光伏充電器使用了多晶硅太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)18%。太陽(yáng)能電池的光生電流、光生電壓均與光照強(qiáng)度有關(guān)，為了驗(yàn)證其對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用光伏充電器硬件系統(tǒng)進(jìn)行了太陽(yáng)能電池特性測(cè)試。

將電流表的2個(gè)接線夾分別連接到太陽(yáng)能電池的正負(fù)極，建立電流表與太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電路，此時(shí)電流表測(cè)量的是太陽(yáng)能電池的短路電流。然后改變實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光照強(qiáng)度，初始光照強(qiáng)度為100 lx，每次增加150 lx，并記錄當(dāng)前光照強(qiáng)度下電流表的讀數(shù)。繪制光照強(qiáng)度從100 lx上升至1 300 lx時(shí)光生電流的變化曲線，如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，太陽(yáng)能電池的光生電流與光照強(qiáng)度成正比。按照同樣的方法，另外選擇一個(gè)電壓表與太陽(yáng)能電池串聯(lián)，此時(shí)電壓表測(cè)量的是太陽(yáng)能電池的開路電壓。然后改變實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光照強(qiáng)度，初始光照強(qiáng)度為100 lx，每次增加150 lx，并記錄當(dāng)前光照強(qiáng)度下電壓表的讀數(shù)。繪制光照強(qiáng)度從100 lx上升至1 300 lx時(shí)光生電壓的變化曲線，如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，太陽(yáng)能電池的光生電壓與光照強(qiáng)度為正比關(guān)系。

2.2" 充電電路的仿真調(diào)試

光伏充電器的充電電路主要有2個(gè)功能：其一是給太陽(yáng)能電池的輸出電壓升壓；其二是為蓄電池充電。本文使用Multisim仿真軟件創(chuàng)建了充電電路，在仿真電路中使用電壓源模塊模擬太陽(yáng)能電池板輸出電壓；引入一個(gè)函數(shù)發(fā)生器輸出PWM信號(hào)，并將該信號(hào)的占空比設(shè)定成0.8；選用具有正向壓降功能的1N4633型二極管，起到降低電壓、過(guò)流保護(hù)的作用[5]。仿真結(jié)果表明，在電壓源輸出電壓為3 V的情況下，經(jīng)過(guò)充電電路的升壓作用，最終輸出電壓達(dá)到了6.16 V。在二極管的正向壓降作用下，將充電電路的輸出電壓降低至5 V，并作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓。

2.3" 穩(wěn)壓電路的仿真調(diào)試

本文使用Multisim仿真軟件創(chuàng)建了4.2 V穩(wěn)壓電路，電路圖如圖6所示。使用一個(gè)容量為20 nF的電解電容模擬蓄電池，主開關(guān)Q2的柵極與5 V電源的正極相連，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的閉合。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，如果充電電路的輸出電壓不足5 V，此時(shí)穩(wěn)壓電路的輸出電壓達(dá)不到4.2 V。在仿真調(diào)試中，將充電電路的輸出電壓設(shè)定為4.8 V，此時(shí)觀察到穩(wěn)壓電路的輸出電壓為4.16 V。當(dāng)充電電路的輸出電壓達(dá)到5 V后，該仿真電路可以穩(wěn)定輸出4.2 V電壓。

2.4" 溫度檢測(cè)電路的調(diào)試

光伏充電器的蓄電池溫度檢測(cè)電路中有一塊熱敏電阻，在25 ℃環(huán)境下電阻值為51 kΩ。隨著溫度的升降，阻值會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化，溫度與阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

當(dāng)蓄電池溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，根據(jù)電壓計(jì)算公式求得ADC3采樣點(diǎn)的電壓

如果溫度檢測(cè)電路在該采樣點(diǎn)檢測(cè)到的實(shí)際電壓超過(guò)了0.751 V，則以中斷的形式送給PBO端高電平，從而斷開充電電路，完成蓄電。同時(shí)，溫度檢測(cè)電路每隔一定時(shí)間（默認(rèn)為30 s）進(jìn)行一次采樣，如果最新一次的檢測(cè)電壓低于0.751 V，則接通充電電路，繼續(xù)向蓄電池送電，直達(dá)下一次電壓檢測(cè)達(dá)到0.751 V，重復(fù)上述步驟。

3" 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)化石能源日益緊缺的背景下，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的成熟發(fā)展將有望化解能源危機(jī)、減輕環(huán)境污染。適用于便攜式電子產(chǎn)品的光伏充電器，其硬件部分主要由太陽(yáng)能蓄電池、單片機(jī)、電源電路和充電電路等幾部分組成，太陽(yáng)能電池板在光照強(qiáng)度一定的情況下，能夠產(chǎn)生電壓和電流，驅(qū)動(dòng)充電電路。由于光照強(qiáng)度時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，因此充電電路的輸出電壓有高有低；將該輸出電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓處理后輸出恒定的5 V電壓，然后為蓄電池恒壓充電，滿足了便攜式電子產(chǎn)品的戶外用電需要。

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