便携式野外充电器的设计

摘要：为了解决手机电源突发断电，满足手机随时随地进行充电的目的，设计了一种太阳能及手摇式多功能手机充电器。使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充电。手摇发电机产生波动较大的电压后，利用电压变换电路将输入电压整流、滤波、稳压后，得到稳定的充电电压。对220 V工频交流电进行整流、滤波、稳压后得到充电电压。后经充电管理电路给电池充电，充电完成后自动停止。该设计具有适用于旅行中野外使用的特点。
关键词：太阳能；手摇发电机；工频交流电；便携式充电器

0 引言
人们外出时，经常碰到手机突然没电而身边又无电源的情况，给生活带来些许烦扰，为解决这一问题，本文设计了一种能够随时随地给手机充电的便捷式充电器，以满足野外作业和旅游的需要。
近年来，随着经济全球化的浪潮席卷全球，能源与环保等问题也日益成为国际间备受瞩目的话题，国际间的环保合作正蓬勃兴起。太阳能作为一种新型能源具有绿色清洁、无环境污染、取之不竭用之不尽又无地域限制的优势。手摇发电是一种不受环境约束的清洁环保且便捷的能源，一直受到人们的青睐。本文设计的充电器，集太阳能和手摇发电于一体，可根据需要和喜好选择充电方式，并且充电器采用模块式结构和USB接口，可对手机、MP3、摄像机等多种数码产品充电。

1 基本构成
充电器基本构成如图1所示。图中，电压变换电路的作用是防止手摇发电机产生的电压波动过大对后续电路的冲击；开关电路的作用是电源选择与反向抑制；由于锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，往往采取开始恒流快速充电，待电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电的方式，该功能包括过流过压保护由充电管理电路实现；充电器设有USB接口，可对手机、MP3、摄像机等多种数码产品充电；此外，充电器还设有照明灯，当夜间光线较暗时，通过手摇电机提供电源给照明电路使用，可供应急之需。

2 各模块的设计
2．1 手摇发电机供电模块
由于手摇发电机的输出电压及功率波动较大，因此，首先利用全桥整流和电容滤波后得到直流12 V输出，再经过稳压器件进行稳压，输出稳定的5 V电压，并用USB接口作输出，更加方便地为各种设备充电，为了也能直接给电池充电，在输出端增加1个1N4007二极管，利用二极管压降原理，提供给电池充电。

图2为基于LM7812稳压器的电压变换电路。其中，C3，C4是耐压较高、电容量小的瓷片电容，主要是用来滤除芯片两端的高频电压；又由于经由LM7812输出的电流较大，所以串联一个5 Ω的分压限流电阻R2。LM7812输出的是约为12V的直流电压，既可以用外置直流电源代替手摇发电机为整个电路供电，又可以作用备用直流使用。
2．2 220 V工频交流电供电模块
目前，国内外的普通手机充电器，多数是将交流电网220 V电压通过开关电源或变压器式的充电电路转换为直流低电压(5 V左右)，成为手机或手机充电座的输入电源。

设计中将220 V交流电转换成可供手机充电使用的直流电，模块各元器件连接如图3所示。R5是泄放电阻，防止断电后电击伤人。C5根据所需电流大小选择，每1μF电容最大提供68 mA电流。仿真结果见图4，波形图显示输出为约4 V大小的小波动直流电，满足管理电路输入信号要求。

2．3 太阳能供电模块
光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制成的，光伏电池组件的I-V特性随日照强度和电池温度而变化，使用中必须予以考虑。
太阳能电池板的光电转化效率决定了供电系统的工作效率。目前太阳能电池主要分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池，其中单晶硅太阳能电池板的转换效率较高，因此选择单晶硅太阳能电池板。由分析测试结果可知：光照强度对电流影响较大；对照负载阻抗变化时光伏电池输出特性曲线，光照强度对最大功率点处的电压和开路电压影响不显著。但在带负载的情况下，使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，输出电压是不稳定的，输出电流变化较大，这就需要用控制电路将电池板输出的直流电压变换后供给储能电容或蓄电池，模块结构如图5所示。

采用12 V直流电源与一个12 V交流电源串联的方式等效太阳能电池板(见图6)，对太阳能充电模块进行了仿真，仿真结果如图7所示，仿真结果与实际测得数据较为贴近。

2．4 充电管理电路
充电管理电路采用CN3068，可实现恒流／恒压／恒温模式对电池充电。图8为CN3068连接电路图。当输入电压大于电源低电压检测阈值和电池端电压时，CN3068开始对电池充电，管脚7输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压检测输入端(管脚8)的电压低于3 V，充电器用小电流对电池进行预充电。当检测输入端(管脚8)的电压超过3 V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由2管脚和GND之间的电阻确定。当检测输入端(管脚8)的电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3068进入恒压充电模式。当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束管脚7端输出高阻态，管脚6端输出低电平，表示充电周期结束，充电结束阈值是恒流充电电流的10％。当检测输入端(管脚8)的电压降到再充电阈值以下时，自动开始新的充电周期。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式，电池端消耗的电流小于3μA，从而增加了待机时间。