為便攜式電子設(shè)備開發(fā)電源電路要求設(shè)計(jì)工程師通過最大程度地提高功率和降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗來延長電池使用壽命，這推動(dòng)器件本身的尺寸變得更小，從而有益于在設(shè)計(jì)終端產(chǎn)品時(shí)獲得更高靈活性。這種設(shè)計(jì)的最重要元器件之一是電源管理IC或DC/DC轉(zhuǎn)換器。

高效DC/DC轉(zhuǎn)換器是所有便攜式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。許多便攜式電子應(yīng)用被設(shè)計(jì)成采用單節(jié)AA或AAA電池工作，這給電源設(shè)計(jì)工程師提出了挑戰(zhàn)。從850mV～1.5V的輸入電壓出現(xiàn)一個(gè)恒定的3.3V系統(tǒng)輸出，要求同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠在固定開關(guān)頻率下工作，同時(shí)附帶片上補(bǔ)償電路，并且要微型低高度電感和陶瓷電容，最好采用微型IC封裝以減少它在設(shè)備設(shè)計(jì)中的總占位面積。

一個(gè)由薄型SOTIC封裝和少量外部元器件組成的經(jīng)過驗(yàn)證的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)僅占7×9mm2板面積的效率為90%的單電池到3.3V/150mA轉(zhuǎn)換器。當(dāng)在單電池輸入(1.5V)下工作時(shí)，25mA～80mA之間的負(fù)載電流可能實(shí)現(xiàn)90%以上的效率。一個(gè)外部低電流肖特基二極管(雖然并不是必需的)將在較高輸出電流下最大程度地提高效率。

這個(gè)電路設(shè)計(jì)集成了帶額定電阻值為0.35Ω(N)且典型電阻值為0.45Ω(p)的低柵電極電壓內(nèi)部開關(guān)的高效DC/DC轉(zhuǎn)換器。在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，開關(guān)電流限制一般為850mA，從而在新的堿性AA單節(jié)電池輸入和兩節(jié)電池輸入時(shí)可分別實(shí)現(xiàn)0.66W和2.5W的輸出功率。

電流模式控制供應(yīng)出色的輸入線路和輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。斜坡補(bǔ)償(這是當(dāng)占空比超過50%時(shí)用來防止分頻諧波不穩(wěn)定性所必需的)可以整合到轉(zhuǎn)換器中，與電路一起保持恒流限制閾值，而不管輸入電壓是多少。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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重要特性

先進(jìn)電源管理IC設(shè)計(jì)的兩個(gè)特性會(huì)影響其工作效率：內(nèi)部反饋機(jī)制的集成和可在工作期間節(jié)省能量的節(jié)電模式的加入。新增的內(nèi)部反饋回路補(bǔ)償不再要外部元器件了，從而降低了總成本，簡化了設(shè)計(jì)過程。通過僅在要時(shí)激活電源轉(zhuǎn)換器以將輸出電壓調(diào)制保持在1%以內(nèi)，節(jié)電工作模式提高了輕負(fù)載(ILOAD<3mA，典型值)時(shí)的轉(zhuǎn)換器效率。一旦輸出電壓在進(jìn)行調(diào)制，轉(zhuǎn)換器會(huì)切換至睡眠狀態(tài)，從而減少柵電荷損失和靜態(tài)電流。不帶節(jié)電模式的類似IC將被強(qiáng)制在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持恒定的pWM，從而新增了靜態(tài)電流。雖然在一些頻率敏感的應(yīng)用中恒頻pWM可能會(huì)受歡迎，但它會(huì)降低總系統(tǒng)效率。

關(guān)斷電流低于1mA，并且這個(gè)引腳上的磁滯允許對VIN進(jìn)行簡單的阻性上拉從而持續(xù)工作。還要注意，在關(guān)斷過程中，VOUT保持低于VIN的未經(jīng)過調(diào)制的600mV。當(dāng)存儲(chǔ)器或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘必須在斷電期間保持激活時(shí)，這個(gè)特性特別有用?？梢酝ㄟ^更改分壓器的電阻值輕松設(shè)定輸出電壓。

為了從電池電源獲得最高功效，DC/DC轉(zhuǎn)換器必須能夠在1V以下的輸入電壓下工作，并供應(yīng)范圍在2.5V～5V之間的可調(diào)整輸出電壓。理想情況下，這種器件還將能夠在低至0.65V的輸入電壓下繼續(xù)工作，唯一的局限性在于輸入電源供應(yīng)足夠功率的能力。

這個(gè)特性將消除對大的輸入旁路電容的要，從而節(jié)省了板空間、降低了成本。在低至0.65V的輸入電壓下工作的能力，是從電量接近耗盡的電池中獲得更長使用壽命的重要特性。

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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以兩個(gè)由單節(jié)電池供電的便攜式設(shè)備為例，其電池使用壽命的比較表明，在理想測試條件下，電源管理IC在低壓模式下工作的能力使其可比傳統(tǒng)DC/DC轉(zhuǎn)換器多供應(yīng)六個(gè)多小時(shí)的電池使用壽命。工作壽命延長40%為終端產(chǎn)品供應(yīng)了明顯的優(yōu)勢。比較情況如圖所示。

EMI抑制方法

當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器在非持續(xù)模式下工作時(shí)(即功率傳動(dòng)周期開始之前，電感電流降至零時(shí))，可能存在EMI問題。為了幫助降低電勢參考點(diǎn)，在電感電流為零且器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，可將一個(gè)100Ω的內(nèi)部阻尼電路跨接在電感上。

EMI和總性能質(zhì)量也會(huì)受pCB布局的影響。高速工作的低壓輸入器件要格外注意線路板布局，特別是處于涉及N溝道和p溝道開關(guān)切換的工作周期期間的高電流通路。SW引腳、VIN引腳CIN、COUT和地之間的電流通路應(yīng)短而寬，以形成最低的固有電阻損耗和最低的漏電感。

本方法先利用太陽能供電并結(jié)合人們?nèi)粘Ｉ钏瓒O(shè)計(jì)出多功能太陽能移動(dòng)電源箱，然后利用Multisim仿真軟件，對設(shè)計(jì)中的穩(wěn)壓模塊、過充過放保護(hù)和輸出端口等電路進(jìn)行仿真測試，仿真測試結(jié)果符合理論依據(jù)。并對設(shè)計(jì)實(shí)物進(jìn)行搭建和檢測，各方面輸出設(shè)備均可正常工作。測試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法合理，可以進(jìn)行推廣使用。

引言

太陽能的設(shè)計(jì)應(yīng)用在市場上已經(jīng)司空見慣，但立足于西藏地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，結(jié)合當(dāng)?shù)厝嗣裆瞵F(xiàn)狀的太陽能產(chǎn)品并不多見。本文從環(huán)境保護(hù)和西藏地區(qū)人們的生活習(xí)慣的角度出發(fā)，結(jié)合太陽能發(fā)電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款環(huán)?？煽康奶柲芏喙δ芤苿?dòng)電源箱?？梢哉f，本設(shè)計(jì)將解決西藏邊遠(yuǎn)地區(qū)人民的用電難問題。

方法設(shè)計(jì)的理念

太陽能是天然可再生能源。它資源豐富，既可無限制的免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染。目前雪域高原是我國污染最輕、環(huán)境保護(hù)最好的地區(qū)，西藏作為我國乃至亞洲重要的生態(tài)安全屏障，生態(tài)環(huán)境的保障至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)基于西藏地區(qū)豐富的太陽能資源和藏區(qū)人們的生活現(xiàn)狀的的考慮，利用太陽能供電并結(jié)合人們?nèi)粘Ｉ钏瓒O(shè)計(jì)。既符合環(huán)保要求又方便攜帶，解決了西藏地區(qū)人民基本的日常用電要，可作為綠色環(huán)保產(chǎn)品推廣，具有一定的市場價(jià)值。

硬件電路設(shè)計(jì)

1、硬件框圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文整體設(shè)計(jì)硬件框圖結(jié)構(gòu)如圖1所示，電源箱有太陽光和常規(guī)市電兩路能量來源。當(dāng)蓄電池饋電時(shí)，在陽光充足的情況下首先利用太陽能充電，其次通過220V電源給蓄電池充電。兩種輸入方式相結(jié)合，方便而且環(huán)保。將兩種輸入能量通過濾波穩(wěn)壓電路，然后給蓄電池進(jìn)行充電。其中的過充過放保護(hù)電路重要是利用繼電器電路模塊檢測蓄電池的電量；當(dāng)過充的時(shí)候斷開充電主回路;當(dāng)蓄電池電壓降到一定范圍的時(shí)候接通充電回路;當(dāng)檢測到過放的時(shí)候斷開用電器電路，防止過充過放，起到對蓄電池保護(hù)的用途，整個(gè)電路都是由蓄電池供電。該系統(tǒng)有多路輸出端口，既可供LED照明和為手機(jī)、Mp3、收音機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電還可輸出220V交流電壓供小功率家用電器工作。

2、市電供電模塊

本設(shè)計(jì)所有電路均基于Multisim仿真軟件的應(yīng)用。

圖2為市電充電模塊電路，當(dāng)電源接通后紅色指示燈LED1點(diǎn)亮，否則熄滅。此電路通過變壓器和電橋電路將220V市電轉(zhuǎn)為28.4V直流電壓，再經(jīng)過RC振蕩電路進(jìn)行濾波穩(wěn)壓后送入LM7815三端穩(wěn)壓模塊，輸出穩(wěn)定的直流15V電壓，然后通過過沖保護(hù)電路給蓄電池充電。開關(guān)Key1為供電模式手動(dòng)選擇開關(guān)，當(dāng)開關(guān)J1連接時(shí)為選擇市電充電，則紅色LED1亮。開關(guān)J2連接時(shí)為選擇太陽能充電，則紅色LED2亮，如1、2所示。

3、太陽能供電模塊

在圖3所示的太陽能供電模塊電路中。當(dāng)Key1接J2時(shí)，選擇太陽能系統(tǒng)供電，此時(shí)紅色LED2點(diǎn)亮。電路首先通過整流二極管1N5404整流，然后經(jīng)RC濾波電路濾波，最后通過穩(wěn)壓二極管1N47744將電壓穩(wěn)定為直流15V，再通過過充保護(hù)電路為蓄電池充電。其中1N5404硅整流二極管，其最大反向峰值電壓為400V，最大半波整流電流為3A.穩(wěn)壓二極管1N4744最大功耗為1mW，穩(wěn)定電壓為15V，最大電流是57mA。

4、過充過放電路

如圖所示為過充過放保護(hù)電路，本設(shè)計(jì)重要基于三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431和繼電器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對蓄電池充放電保護(hù)。如圖4所示，為過充保護(hù)電路，供電模塊通過繼電器為蓄電池充電，當(dāng)電路檢測到蓄電池電壓大于13V時(shí)，綠色LED4亮，繼電器將開關(guān)向下吸合，斷開充電回路，實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)。

如圖5所示，為過放保護(hù)電路，蓄電池電壓大于12V時(shí)LED6燈亮，繼電器向下吸合為負(fù)載供應(yīng)能量，當(dāng)蓄電池電壓低于10.5V時(shí)繼電器向上斷開放電回路，實(shí)現(xiàn)過放保護(hù)。

5、輸出端口

圖6所示為電源箱的輸出端口部分設(shè)計(jì)圖，其重要采用LM78XX系列三端集成穩(wěn)壓器來得到穩(wěn)定電壓的輸出。當(dāng)LM78XX系列三端集成穩(wěn)壓器輸出電流較大或工作時(shí)間較長，LM78XX散熱較大，應(yīng)加散熱器。

圖6(a)是輸出穩(wěn)定9V供收音機(jī)工作。圖6(b)為USB接口電路，實(shí)際電源箱將輸出多個(gè)不同類型的接口供數(shù)碼產(chǎn)品充電，例如圖6(b)手機(jī)USB充電部分，三端集成穩(wěn)壓器LM7805得到穩(wěn)定直流5V輸出，由于手機(jī)充電要的電壓為(5±0.5)V，此時(shí)剛好適合手機(jī)進(jìn)行充電，當(dāng)紅色LED3亮起時(shí)說明此時(shí)可以為手機(jī)充電了。圖6(c)和(d)均接照明負(fù)載，當(dāng)開關(guān)Key2和Key3接通時(shí)，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R2，R3可改變光照強(qiáng)弱，進(jìn)而達(dá)到使用者所需的光照強(qiáng)度，新增了設(shè)計(jì)的人性化。

電路仿真分析

1、LM7815穩(wěn)壓模塊仿真

圖7為三端穩(wěn)壓集成電路LM7815的仿真結(jié)果，C1，C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，R1，R2分別為輸入輸出端保護(hù)電阻。

當(dāng)輸出電流較大時(shí)，LM7815散熱較大，應(yīng)加散熱器。LM7815三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用可靠、方便。由于三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子電路中經(jīng)常采用。當(dāng)三端穩(wěn)壓集成電路LM7815輸入電壓大于15V時(shí)，通過LM7815穩(wěn)壓模塊可輸出穩(wěn)定的15V電壓。

2、市電供電模塊仿真

由圖8中可以看出，由于變壓和穩(wěn)壓模塊連接后，電氣互相影響，測得輸入到LM7815穩(wěn)壓模塊的電壓為28.4V左右，輸出15V穩(wěn)定電壓通過過沖電路為蓄電池充電。

3、太陽能供電模塊仿真

太陽能供電模塊仿真見圖9，利用25V直流電壓源和5V，20Hz的交流電源串聯(lián)來模擬太陽能板輸出電壓，模擬信號在18~32V之間變化，其波形如圖9中示波器所示，經(jīng)電路濾波穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的15V直流電壓。

在日光下，用萬用表測得實(shí)際中太陽能板發(fā)出電壓幅度在17~25V之間變化，結(jié)合太陽能板輸出電壓波形見圖10，證實(shí)模擬電源很接近現(xiàn)實(shí)中太陽能板出現(xiàn)的電壓信號。實(shí)物圖見圖11。

結(jié)語

本文提出了一種多功能太陽能移動(dòng)電源箱的設(shè)計(jì)方法，該方法完成太陽能多功能移動(dòng)電源箱內(nèi)部電路設(shè)計(jì)，解決了市電和太陽能供電模塊以及對蓄電池過充過放的保護(hù)電路模塊。本設(shè)計(jì)方法重要是建立在考慮到西藏地區(qū)擁有豐富的太陽能資源和藏族地區(qū)人們生活的需求，最后經(jīng)測試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法合理，可以進(jìn)行推廣使用。