简易太阳能家用充电电源的研究

1、简易太阳能家用充电电源的研究燕山大学：党协领 郑志勇（1燕山大学 机械工程学院，河北省秦皇岛市 066004；2燕山大学 材料工程学院，河北省秦皇岛市 066004）摘要：通过近几年的发展，太阳能以其清洁、环保、无污染等特点博得了越来越多人的青睐。我国太阳能家用电源已经市场化，但由于技术上的某些原因，许多充电控制器产品的电路结构很复杂，电路元件很多，如果出现了故障不容易维修，阻碍了太阳能的进一步普及。为此作者设计了一款成本低、可靠性高、结构简单的充电控制器电路，供广大光伏开发人员及太阳能爱好者参考。关键词：太阳能；控制器；电路组成；充电器一 引 言太阳能电源在我国已经推广应用了20多年，大量应

2、用于我国西部的无电农牧区，为牧民们解决了平时的用电问题。2001年开始，国家经贸委/世界银行GEF项目正式启动，极大地促进了我国太阳能家用技术水平和市场化的发展，为了规范市场，该项目设立了严格的准入门槛，制定了太阳能家用电源的技术规范，2003年此规范上升为国家推荐标准。【1】通过近几年的发展，太阳能以其清洁、环保、无污染等特点博得了越来越多人的青睐。【2】我国太阳能家用电源已经市场化，但由于技术上的某些原因，许多产品的电路结构很复杂，电路元件很多，如果出现了故障不易维修，阻碍了太阳能的进一步普及。为此作者设计了一款成本低、可靠性高、结构简单的充电控制器电路，供广大光伏开发人员及太阳能爱好者参

3、考。二 充电电源的设计1.电路的设计本电路（如图1）采用了LM2587-ADJ芯片为核心，输出电压为8-16V的太阳电池阵列组做为电路的输入，电路输出电压为24V，可用于平时的24V供电。 电路主要由LM2587-ADJ ，CIN1，CIN2，RC，CC，L，D，R1，R2及其他外围元件组成。LM2587 系列集成芯片专为反激式电路，步升（升压），和正激变换器设计。该系列有4种不同输出电压：3.3V，5.0V，12V和ADJ可调电压输出（本电路用的是ADJ可调输出系列）。电源开关是典型的NPN装置，电流能够达到5.0A，可以承受65V电压。 电源开关保护电路主要由电流限制电路和热限制电路以及欠

4、压闭锁电路组成。芯片内部包含 100 kHz固定频率的内部振荡器。其它特点包括软启动模式以降低启动时的冲击电流，电流模式改善输入电压排斥反应和输出负载瞬态以及逐周期电流限制等。在规定输入电压和输出负载条件下输出电压的偏差范围是±4%，为电源系统提供了保证图1 简易太阳能充电电源电路图其特色如下：（1）需要很少的外部元件；（2）标准电感器和变压器；（3）NPN 输出开关电流达 5.0A, 可以承受 65V电压；（4）宽输入电压范围： 4V40V； （5）电流模式操作，以提高瞬态响应，线路调整率和电流限制；（6）100 kHz的开关频率；（7）启动时内部软启动功能可降低浪涌电流；（8）输

5、出晶体管由电流限制，欠压锁定和热关闭保护；（9）在最大输入电压范围和负载条件下系统输出电压容差为± 4%。2.芯片内部电路设计芯片内部电路（如图2）主要包括100HZ的振荡器，误差放大器，比较器，NPN开关及其保护电路、驱动电路和逻辑控制电路。引脚如图所示，1脚为补偿端，2脚为反馈端，3脚接地，4脚为NPN开关的集电极，5脚为芯片的电源输入端。对于固定输出电压系列的芯片，反馈端只需接到电路输出端即可，芯片内部已经有R1、R2的分压装置。如3.3V时R1=3.4K，R2=2K；5V时R1=6.15K，R2=2K；12V时R1=8.73K，R2=1K。而ADJ系列则没有内部的分压装置（此

6、时R1=0，R2=），需要在外面另加，这就给我们的使用带来了方便，这也是本电路采用ADJ输出芯片的原因。图2 内部电路原理框图3. 电路参数确定图1是升压式 DC - DC转换电路 , 输入电压816 V, 平均输入电压为12V，其输出电压值可按以下公式改变 R1、R2电阻值进行调整： （1）R1，R2对输出电压进行分压后和芯片内部基准电压1.23V进行比较，当R2在1K到5K之间时，R1为：（用1%的金属膜电阻） （2）本电路的输出电压为24V，R2选取为2K，代人（2）式计算得R1=37K，选取R1为36.9K（1%）。如果想有不同的电路输出，可以将R1换做精密可调电位器，R2为固定电阻，

7、通过调整R1的大小达到要求输出的电压。电路中不同的电压值需要不同的电感，最小电感的计算公式为：；本电路电感选取为33H。二极管D采用限流二极管，防止电流过大对用电设备造成损害，具体限制多大的电流由用户选择。4. 电路工作原理当NPN开关开启时，太阳能电池组产生的电流经电感L流入开关，由于电感阻碍电流变化的原因，电感中的电流以速率VIN/L持续上升，将电能储存在电感中。当开关关闭时，电感L中依然有电流存在，电感L末端的电压高于VIN，此时电感L通过二极管D释放它的电流到输出端电容COUT中，经整流输出，释放电流的速率为（VOUTVIN）/L。【3】从而，开关开启时储存在电感中的电能在开关关闭时传

8、送到了输出端，完成了电能的输送。输出电压的大小是通过调整开关峰值电流控制的。R1，R2对输出电压进行分压后反馈到芯片内部的误差放大器，反馈电压同内部的参考电压1.230V进行比较然后经误差放大器放大输出。误差放大器产生的电压和同开关电流(即在开关打开时电感中的电流)成正比的电压相比较，当二个电压相等时比较器及时终止开关，从而控制开关峰值电流来保持一恒定的输出电压。同时芯片内部集成有限流电路，温度限制电路，欠压保护电路等保护措施防止损害芯片及用电设备。1、电流保护电路。芯片内部集成有一个电流限制电路，来保护NPN开关装置，允、许通过的最大电流是5A，当电路中的电流超过5A时芯片自动切断内部开关电

9、路，使开关停止工作从而保护开关不受损害。电路中同样有限流二极管来限制外部电流的大小，使电流不超过用电设备的额定电流，保护用电设备不会因电流过大而烧毁。2、温度限制电路。电路由于长时间工作而导致芯片温度升高，当温度超过芯片所能承受的范围时，温度限制电路自动切断开关，保护芯片。3、欠压保护电路。如果太阳能组件不能够提供足够的功率供用电设备使用时，容易导致电压过低，使用电设备不能工作或者损坏。这时芯片内部的欠压保护电路会切断对用电设备的供电。三 总 结该充电电源利用了直流电源芯片LM2587ADJ和二极管D、输出电容COUT达到了稳压输出的目的。具有输入电压范围大，功耗低，输出稳定，结构简单，维修方便，寿命长等特点，满足了平时家用电源的需求。参考资料：1.黄谭友,杨启洪,廖继海.太阳能升压与电池充电控制电路的研究.2007.2.冯垛生.太阳能发电原理与应用M.人民邮电出版社. 2007.3.童诗白.模拟电子技术基础 M .北京:人民教育出版社.1980.作者详细联系方式：郑志勇 地址：河北省秦皇