太阳能手机充电器的电路设计

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【摘要】采用MC34063、GM3583、SC801和LM2596等集成电路，设计了一种太阳能手机充电电路。该电路主要由太阳能充电器电路、锂电池保护电路、交流（市电）充电电路和内部蓄电池充电电路组成，可利用太阳能或市电进行机充或座充两种模式的充电，以达到节能环保之目的。

【关键词】太阳能充电器；手机；锂电池

手机已成为人们日常生活中必不可少的便携式电子产品。虽然单台手机的单次充电的耗电量看起来微不足道，但是由于其是量大面广的产品，充耗电量却不应被忽视。据测算，我国一年中手机消耗掉8亿度电。另一方面，我国是太阳电池片的生产大国，总产量已占世界1/2，但95%的太阳电池片出口，严重依赖国外市场，增加了产业不安全因素，急待开发国内应用市场。本文设计一种太阳能手机充电器的电路，符合节能环保的现代消费理念，亦为太阳电池的广泛应用提供一种思路。

1.设计思路

如图1所示，太阳能充电器主要由太阳能充电器电路、锂电池保护电路、交流（市电）充电电路和内部蓄电池充电电路组成。该充电器通常可利用太阳电池通过太阳能充电电路对手机（机充模式）或手机锂电池（座充模式）进行充电，达到节能环保之目的，亦可满足野外旅行无市电供应时的手机充电需要。但可能会遇到由于夜晚或阴雨天这类无阳光的情况，作为补充，该充电器可采用内部蓄电池对手机充电，太阳能电池或市电均可作为该蓄电池的能量来源。为了与手机锂电池充电电路相匹配，内部蓄电池也采用锂电池，我们选择3.7V 2000mAH的18650锂电芯，锂电池的保护电路可避免由于过充过放对电池自身造成永久性的损伤。

2.电路硬件设计

2.1 太阳能充电电路设计

由于自然界光照强度的随时改变会引起太阳能电池的电压输出的不稳定，应采用一个合适的直流的稳压电路，对太阳电池电压输出进行稳压之后对手机电池充电。这里使用两块串接的6V太阳能电池板。由于手机电池和系统内部的蓄电池都是锂电池，其充电限制电压为4.2V，可选用MC34063 DC/DC变换器控制电路和GM3583锂电池充电管理电路。

MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流—直流变换器控制电路，片内包含温度补偿带隙基准源、占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关等功能，能输出1.5A的开关电源。该IC模块的工作电压为3-40V而太阳能的输出电压完全可满足这一条件。经MC34063变换后可输出为5V和6.5V。图2中第一片MC34063输出5V作为机充电源。

由于机充模式中，手机内部已有充电保护电路，无需另行设计。对于座充模式，可选用GM3583实现对锂电池的保护充电。GM3583是一款完整的单节锂电池用恒定电流/恒定电压线性充电器电路，具有自动识别电池极性的功能，支持普通的三灯或二灯电路指示，有短路保护功能，元器件的需求量较少。该模块工作电压为6.5V由图2中第二片MC34063提供。

图2中发光二极管E1可以用以显示太阳能板是否有电及或粗略判断其电压高低，须串联一个限流电阻。

2.1.1 充电电压的设定

根据图2所示，对于机充模式，第5引脚FB是比较器的反向输入端，锂电池在充电过程中电压不断地升高，当电压升到4.2V时应停止充电，也就是电池电压与参考电压相等时内部开关管关闭终止对电池的充电。由于电池的充电管理过程是在手机内部完成的，所以第一片MC34063将电压降到5V即可。

在采用座充模式时，电池从手机中取出，电池的充电由GM3583 IC模块进行管理，GM3583的供电电压可以5-8V，其典型值为6.5V，由第二片MC34063提供。

2.1.2 充电电流的设定

锂电池可以接受大电流的充电，但有些市电快速充电器充电电流过大，虽可以缩短充电时间，但大电流却很难把电池真正的充满，亦容易造成电池变形。

在机充模式的时候，为了保护电池，可选择200-300mA的充电电流。电流的大小由与第1引脚SC相连的电阻R4确定。

在采用座充模式的时候，为了提高负载能力，将电流的值选大一些，如500-600mA，通过R3来确定。

2.1.3 工作频率的设定及纹波的滤除

选择70KHz作为MC34063的工作频率，对两种模式，均由C6、C5、L2、L1确定，可分别计算得到。MC34063电路模块转换工作的过程中在输出端产生纹波可在电路输出端接入较大的电容滤波即可。MC34063和GM3583电路中其他元器件的选择根据习惯选择。

2.2 锂电池保护电路设计

UCC3952是一款单片的BICMOS工艺的锂离子电池保护电路，可避免锂电池过充过放，提高充电电池的工作寿命。该IC模块每8ms对电池电压进行采样，当电池电压低于欠压连续两个样品阀值IC断开负载，同时进入超低功耗模式并一直保持此图状态直到检测到有充电器的存在，然后开启充电。当电池电压超过阀值后充电被禁止，但放电电流还是允许的。此集成电路模块外部元器件很简单，只需在第15引脚CBPS与电池负极之间连接一个0.1uf的电容，如图3所示。

2.3 交流（市电）充电电路设计

2.3.1 整流电路

交流电不能直接为蓄电池充电，必须采用直流电，因此需要一个整流电路（电源电路）和充电控制电路。其中整流电路可由电源变压器、整流桥堆以及滤波电容组成。这样220V交流电压通过降压，整流和滤波之后形成直流输出为充电控制电路供电。

2.3.2 充电控制电路

充电控制电路选择SC801充电控制集成电路，最大工作电压14V，输出最大为4.2V。该芯片内部集成了充电控制电路、监控电流、充电状态指示电路及保护电路等。SC801具有LDO模式、预充电模式、快速充电模式、终止模式和检测模式共计5种模式。利用SC801构成的锂电池充电器电路如图4所示。

当接入电池两端电压超过2.8V时，芯片就会进入大电流快速充电模式，并点亮LED2，快速充电电流的大小可以调节与第3引脚IPRGM相连的R1阻值，最大电流可达1.5A，为了保护锂电池同时可以将充电时间缩短一些，如可选择700mA。

预充模式主要是当电池还未充满用来限制电池和SC801的功耗的，当电池电压低于2.8V时，该模式就会启动，并点亮LED2，预充电电流的最大范围10-125mA。我们选择相对较小的电流60mA。电流的大小可以调节与第4引脚ITERM相连的R2的阻值。

当电池电压达到编程所设定的4.2V时，SC801会从一个恒流源过渡为一个恒压源，通过电池的电流将会减少而此时的电压保持不变，直至电流小于终止电流SC801将会停止工作并通过把LED2关闭表示已充满。电流大小可以调节与第4引脚ITERM相连的R2的阻值。

接入电池后，芯片会根据电池端电压是否低于2.8V来选择进入预充还是快充模式。在充电结束后，芯片就会进入监测模式，若停止充电后电池端电压降至预充的阀值以下，芯片会重新启动对电池进行充电，将电池充至设定的电压后停止充电。当芯片的工作电压偏高至一定值时，其内部的过压保护电路动作，SC801无电压输出，同时把LED3点亮。

2.4 内部蓄电池充电电路设计

被选用的LM2596 DC-DC降压集成电路模块，能够输出最大3A的驱动电流，同时具有很好的的线性和负载调节特性，固定输出版本有3.3V、5V、12V也可调节输出1.2V-37V之间的各种电压。LM2596外部电路简单只需要4个外接元件，如图5所示。

电解电容应靠近IC模块，耐压值至少是输出电压的1.5倍，同时应考虑纹波过滤这个因素。二极管开关速度快正向压降要低，可采用肖特基二极管。为了防止输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间要加一个铝或钽电容作旁路电容，并靠近IC模块。电感则可根据经验来选择。

3.结论

本文设计一种太阳能手机充电器的电路，可实现座充和机充两种模式。充电器电路包括太阳能充电电路、锂电池保护电路、交流电充电电路和内部蓄电池充电电路等组成。既能采用太阳电池提供能量对手机或手机电池充电，以节省电能，又可采用市电为电池提供能量，以满足夜晚或阴雨天无阳光需要充电的需要。本文所设计的太阳能充电器还存在太阳能电池板价格较贵、充电效率较低等缺陷，这些问题有待解决。

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基金项目：2011年江苏省高等学校大学生实践创新训练计划（220）；江苏省基础研究计划（自然科学基金）资助项目（BK2012869）。