王星星 朱兴喜

近年来，地震、洪水、泥石流等自然灾害频频发生，灾害中的伤病患者也在急剧增多。在野战及灾害急救中，电子血压计、脉搏血氧仪、检眼镜及PDA等小型医疗仪器对掌握伤员的病情和提高救治效果具有极大的作用。但是，在野外战争或自然灾害发生后，常常因为断电等原因造成各种小型医疗器械无法正常使用甚至无法工作，传统的解决办法是利用蓄电池或者可充电电池给上述小型医疗器械供电以保证它们的正常运行，然而当蓄电池或者可充电电池输出电压降至一定程度时，许多仪器就无法正常工作，这给野外战争或自然灾害中对伤员的救治带来诸多不便。为此我们提出设计一种野战太阳能充电器，使其能在尽可能小的输入电压作用下产生合适的输出电压来给镍氢、镍镉等可充电电池充电，以满足电子血压计、脉搏血氧仪、检眼镜及PDA等小型医疗仪器的使用需求，达到收集电能再利用的目的。

1 太阳能充电器的设计

1.1 设计思路

既然是用于灾害及战争急救过程中的太阳能充电器，就必须能够提供足够的充电功率和减小天气状况的影响，因此所设计的太阳能充电器必须既要有足够宽的可调输出电压范围，又要有较低的启动电压以适应光照不足的情况；为满足这一需求，我们选用TPS61201作为初级升压芯片，其电压输入范围是0.3～5.5 V，启动电压为0.5 V，截止电压0.3 V，可调输出范围为1.8～5.5 V，最高可达600 mA的输出电流。再用三端可调正稳压器LM317来设计稳压电路，LM317的输出电压范围是1.2～37 V,负载电流最大为1.5 A，它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

1.2 硬件电路的设计

为方便设计，我们将太阳能充电器分为电源模块、升压模块、稳压模块和充电模块等四个部分分别设计。

1.2.1 电源模块

考虑到充电过程中镍氢、镍镉等可充电电池的充电功率，我们选用标称为3 W的太阳能电池板作电源模块，如图1所示。其峰值电压为5.1 V，峰值电流为0.59 A，最大开路电压可达5.8 V,最大短路电流为0.6 A,可充分满足镍氢、镍镉等可充电电池的充电需求；考虑到灾害及野战过程中天气因素的影响，在光照不足时，太阳能电池板无法提供足够的启动电流来保证TPS61201启动，因此需要在太阳能电池板的输出端并联一个较大的启动电容，以保证即便在光照不足的情况下，太阳能电池板仍可以驱动TPS61201工作。

图1 5 V3 W太阳能电池板

1.2.2 升压模块

升压模块以TPS61201为核心，其0.5 V的启动电压能最大限度降低天气状况的影响，即便在光照很弱的情况下，也可被6 V100 uF的启动电容启动工作,经过设置调整输出至5.5 V。主要电路如图2所示：

图2 升压电路图

FB脚的作用是检测输出电压，当输出电压被正确调整时，FB脚电压的典型值为500 mV。输出电压的最大推荐值为5.5 V，通过电阻器的电流应大于通过FB脚的电流100倍以上。FB脚的典型输入电流为0.01 μA，FB脚和地之间的电阻R2的典型电压值为500 mV。基于这两个值，为了保证R2上的电流不低于1 μA，R2的值应低于500 kΩ。Vout脚和FB脚之间的R1的值可以通过公式1得到：

当输出电压为5.5 V，电阻R2值为200 kΩ时，电阻R1的值约为2 MΩ。

当输出电压过低时，UVLO脚被用于关闭输出，内设阈值为250 mV。R3、R4展示了如何去监测输入电路。通过R4电流应大于UVLO脚电流的100倍以上，流进UVLO脚电流的典型值为0.01 μA，R4电压等于该 UVLO 电压阈值，即250 mV，所以R4的推荐值在250 kΩ之内，而电阻R3的阻值可由公式2得到：

当输入电压最小为0.3 V，R4阻值为200 kΩ时，R3的值为40 kΩ。

要确保TPS61201能够运行，还需在Vin脚和L脚之间加一个电感L1，其值可由公式3得到：

推荐的电感值范围介于1.5 uH和4.7 uH之间，建议使用2.2 uH将使输入输出电压范围达到最佳性能。

为了改善电路瞬态和电磁干扰等问题，输入电容C1至少要4.7 uF，应选择陶瓷电容，放置时离VIN和PGND脚越近越好。

输出电容C2为小的陶瓷电容，且需要尽可能的靠近芯片的VOUT和PGND引脚,C2的值可由公式4得到：

在VAUX脚和GND脚之间必须加一个电容，该电容用来维持和筛选控制电源电压。在启动过程中和主输出VOUT打开前它被充电，为了确保芯片稳定运行，电容C3的值至少为0.1 uF。当输出电压低于2.5 V时，C3应当在1 uF左右。由于该电容也被作为主开关缓冲电容器，使用一个低等效电阻的陶瓷电容是重要的。

1.2.3 稳压模块

稳压模块以LM317为核心，它的作用是将TPS61201的输出电压稳定成所需的电压值，在操作中，LM117运行标称基准电压VREF为1.25 V,在输出和调整终端之间，基准电压是电阻器R1上的电压值，由于电压是恒定的，一个恒定的电流I1然后流经输出设置电阻R2，给出一个输出电压，电路如图3所示：

图3 LM317稳压模块电路图

其输出电压值可由公式5决定：

为了减小输入行的敏感性阻抗，输入端应接入0.1 uF的陶瓷或1.0 uF的钽旁路电容。另外，为了防止干扰随着输出电压的增加而被放大，输出终端需接一个10 uF的电容。

为了获得较宽的电压输出范围，当稳压部分的输入电压VIN=5.5 V,VOUT=5时，可得可调电阻R2和电阻R1的比值为3。当选择电阻R1的阻值为180 K时，可变电阻R2的值最大为540 K，通过调节可调电阻R2的值我们即可获得输出范围在1.25～5 V之间的充电电压。

1.2.4 充电模块

考虑到该太阳能充电器的最高输出电压为5 V，足功率输出时可同时为串联的3～4节1.2 V的镍氢、镍镉电池充电,为了防止充电完毕或者电路故障等原因造成电路电流的逆流，我们在输出端设置一个肖特基二极管SS24，其具有导通电压低、功耗低、反向截止等特点，可有效保证充电完毕后电池中的电能不外流。

2 结论与展望

该野战太阳能充电器的电路设计简单，思路明确，质量很轻，方便携带，能够有效解决灾害及战争中电力紧缺和电能浪费等问题，在缺少电力的紧急时刻，为镍氢、镍镉等可充电电池充电以满足电子血压计、脉搏血氧仪、检眼镜及PDA等小型医疗仪器的使用需求，为医生及护士掌握伤员的病情和提高救治效果起到极大的作用。其极低的启动电压和截止电压,允许该太阳能充电器在光照不足的情况下工作,有效的降低了天气状况对太阳能电池板的影响,大大提高了该太阳能充电器的使用效率。但是它的设计是基于高效电器元件的基础之上，价格相对较贵，而且太阳能电池板易受天气影响，这在一定程度上影响了野战太阳能充电器的推广，因此需要寻求更加廉价高效的升压芯片和能源转换器来改进设计。

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