摘 要： 太陽能充電器使用太陽能電池板，將太陽輻射光能轉變為電能后，經升壓、穩壓、充電電路對電池進行充電，當電池充滿后系統自動停止充電。該充電器輸出電壓穩定，采用模塊式結構，應用范圍廣， 適用于多種型號電池的充電。
關鍵詞： 太陽能充電器；控制電路；模塊式結構
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太陽能作為一種新型能源具有綠色清潔、無環境污染、取之不竭用之不盡又無地域限制的優勢。對太陽能的利用主要體現在兩個方面：光熱轉換與光電轉換。本文利用太陽能光電轉換的特性，設計一款太陽能多功能充電器，滿足野外作業和生活的充電需求。
該充電器通過太陽能電池板將太陽能轉化為電能，經過升壓、穩壓處理后，由充電電路為負載供電。鋰電池一般不宜采用全過程恒流充電方式，而是采取開始恒流快速充電，待電池電壓上升到設定值時，自動轉入恒壓充電的方式，并且這樣有利于保存電池容量。充電過程中采用LED燈指示，系統中設計有完備的過流過壓保護，避免因電池過度充電而損壞，并且充電器采用模塊式結構和USB接口，可對手機、MP3、攝像機等多種數碼產品充電。
1 系統設計方案
太陽能電池在使用時由于太陽光的變化較大，其內阻又比較高，因此輸出電壓不穩定，輸出電流較小，這就需要用充電控制電路將電池板輸出的直流電壓變換后供給電池充電，其充電控制電路結構如圖1所示。當光線條件適宜時，通過太陽能電池板吸收太陽光，將光能轉換為電能。由于太陽能電池板輸出電壓不穩定，故增加了穩壓電路，通過穩壓電路、充電電路為負載電池充電，同時還可以為內部的蓄電池充電以備應急之需。當光線條件不好時，太陽能電池板輸出電壓較低，達不到充電電路的工作電壓，因此增加了升壓、穩壓電路，為充電電路提供一個較穩定的工作電壓。當遇到陰天、夜間等光線條件很差的情況時，可利用系統內部的蓄電池并通過升壓電路為后續設備充電。另外，該充電器還設計有照明燈，當夜間光線較暗時，通過蓄電池為照明燈供電，可供應急之需。
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2 太陽能電池板的選用
太陽能電池板是太陽能供電系統工作的基礎，是該充電器的核心部分，其功能是將太陽光的輻射能量轉化為電能，它的光電轉化效率決定了供電系統的工作效率，故光電轉化率是一個重要的參數。目前太陽能電池主要分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池。其中單晶硅太陽能電池板的光電轉換率為15%～20%，甚至可達到24％，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。多晶硅電池板的轉化率約為12%左右，非晶硅約為10%左右，在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅、多晶硅電池優于非晶硅電池[1]，故本系統的太陽能電池板采用單晶硅電池。
如今的便攜式數碼設備種類較多，所需電壓電流不等，對于輸入功率較大的設備，必須采用面積較大的電池板，而這又給攜帶帶來不便。因此該設計采用模塊式組合，根據不同充電負載的需要，將太陽能板進行組合以達到具有一定要求的輸出功率和輸出電壓的一組光伏電池。本文以手機、MP3等常用小功率用電設備為例，說明其太陽能充電器的設計過程。所選用的太陽能電池板技術參數指標如下: 尺寸120mm×45mm，峰值電壓6V，峰值電流100mA，標稱功率0.6W。考慮被充電池的電流不同所需充電時間不等，采用四塊相同參數電池板進行串、并聯，實測電池板的輸出電壓最大值為10.8V,電流最大可達212mA，總標稱功率為2.4W左右,實際輸出可根據不同的被充電對象進行平滑調整。
另外，由于在不同的時間、地點太陽光照強度不定,使太陽能電池輸出的電壓、電流不穩定,故本設計加入相應的升壓、穩壓等控制環節。下面介紹充電控制電路的設計。
3 充電控制電路設計
3.1 升壓電路設計
直流升壓就是將電池提供的較低的直流電壓提升到需要的電壓值，本文采用BAU72集成升壓電路，該元件是電壓型PFM控制模式的DC-DC轉換元件，內部包括輸出電壓反饋和修正網絡、啟動電路、振蕩電路、參考電壓電路、PFM控制電路、過流保護電路以及功率管。PFM控制電路是核心，該模塊根據其他模塊傳遞的輸入電壓信號、負載信號和電流信號來控制功率管的開關狀態，從而實現控制電路恒壓輸出的功能。在PFM 控制系統中，振蕩電路提供基準振蕩頻率和固定的脈寬，參考電壓電路提供穩定的參考電平，根據輸入-輸出電壓比例以及負載情況，通過消脈沖來調節在單位時間內功率管導通時間，以實現輸出電壓的穩定。由于采用內部的修正技術，保證輸出電壓精度達到±2%，同時由于參考電壓經過精心的溫度補償設計考慮，使得芯片的輸出電壓的溫度漂移系數小于100ppm/℃。高增益的誤差放大器保證了在不同輸入電壓和不同負載電流情況下穩定的輸出電壓。
??? 以BAU72集成升壓芯片為核心，其外圍電路較簡單，只需要一個電感、一個輸出電容和一個肖特基二極管，升壓電路如圖2所示，其中電感的寄生串聯電阻、肖特基二極管的正向導通壓降是升壓電路功率損耗的主要原因，電容和電感會影響輸出的紋波。所以為了獲得較高的轉換效率、較低的紋波與噪聲，選擇合適的電感、肖特基二極管和電容是關鍵。經過反復實驗，本設計選擇47μF的電容，56μH的電感，二極管選用IN5819，實現輸出電壓為10.1V，轉換效率達到80％，可滿足后續充電電路的工作需要。
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3.2 穩壓電路設計
??? 穩壓電路的設計以三端集成穩壓器W7800為核心，它屬于串聯穩壓電路，其工作原理與分立元件的串聯穩壓電源相同。它由啟動電路、取樣電路、比較放大電路、基準環節、調整環節和過流保護環節等組成，此外還有過熱和過壓保護電路[2]，因此，其穩壓性能要優于分立元件的串聯型穩壓電路。而且三端集成穩壓器設置的啟動電路，在穩壓電源啟動后處于正常狀態時，啟動電路與穩壓電源內部其他電路脫離聯系，這樣輸入電壓變化不直接影響基準電路和恒流源電路，保持輸出電壓的穩定。
穩壓電路如圖3所示，電路中Ci的作用是消除輸入連線較長時其電感效應引起的自激振蕩，減小紋波電壓，取值范圍在0.1μF～1μF之間，本文Ci選用0.33μF；在輸出端接電容Co是用于消除電路高頻噪聲，改善負載的瞬態響應，一般取0.1μF左右，本文Co即選用0.1μF。一般電容的耐壓應高于電源的輸入電壓和輸出電壓。另外，為避免輸入端斷開時Co從穩壓器輸出端向穩壓器放電，造成穩壓器的損壞，在穩壓器的輸入端和輸出端之間跨接一個二極管，對W7800起保護作用。
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3.3 充電電路設計
鋰電池以其體積小、容量大、重量輕、無記憶效應、無污染、電池循環充放電次數多（壽命長）等優點，現已獲得廣泛應用，諸多數碼產品均使用鋰電池。但鋰電池對充電條件要求嚴格，充電控制要求精度高，對過充電的承受能力差。因此，該充電電路包括電池充電控制電路和電池電量檢測控制電路兩部分。充電控制電路,用來控制前述升壓或穩壓電路向鋰電池進行充電,同時它也是鋰電池的充電電路；電池電量檢測電路,用以檢測充電電量的多少,當電池充滿電時,充滿指示燈亮,于是邏輯電路控制充電電路斷開,停止充電，其電路結構如圖4所示。
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鋰電池的充電過程分兩階段進行，第一階段為恒流充電，充電電流約為212.5mA，當充電電壓達到4.2V+0.05V時轉入第二階段，即4.2V±0.05V的恒壓充電方式，恒壓充電電流會隨著時間的推移而逐漸降低，待充電電流降到0.1mA時，表明電池已充到額定容量的93%～95%，此時即可認為基本充滿，如果繼續充下去，充電電流會慢慢降低到零，電池完全充滿。充電過程中，“充電”指示燈亮；充滿時，“充飽”指示燈亮，“充電”指示燈滅。
4 實驗測試數據
根據上述設計思路，系統已經研制成功，并對實驗產品進行了測試，各項測試結果良好，具體測試數據如下：
(1)電池板開路電壓：12.8V，輸出電流210mA～305mA；
(2)穩壓電路輸出電壓：9.98V；
(3)升壓電路輸入電壓：6.68V；
(4)升壓電路輸出電壓：10.1V；
(5)充電電路輸入電壓：10.0V；
(6)蓄電池輸出電壓：6.2V；
(7)終端輸出電壓：4.3V。
隨著經濟的快速發展，資源短缺、環境污染與社會需求的矛盾日益突出，加速推廣利用太陽能等可再生能源已成為實現可持續發展的重要條件。該太陽能充電器的電池板采用折疊式結構，它可以像一本書那樣展開，增加電池板的受光面積，擴大輸出容量，再采用模塊式組裝，既便于攜帶，使用靈活，又可擴展其輸出范圍，增大輸出電壓，以滿足不同類型數碼產品的充電需求。
參考文獻
[1] 蔣鴻飛，胡淑婷.綠色能源——太陽能充電器.上海應用技術學院學報(自然科學版)，2007，(2)：147-149.
[2] 康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社,1999.