電子發燒友App
隨著物聯網的發展，很多智能電子設備都朝著低功耗方向發展，光能，風能，機械能等不同的自然能源都能被利用起來作為電子設備的能量來源。本文要分享一款太陽能充電電路。
前言
大家好，我又來分享電路了，這次的電路比較干貨，絕對不會讓大家失望！一來作為自己記錄，二來還是希望拋磚引玉，希望大家能夠提出修改建議，使得電路更加完善。
本充電電路適用于物聯網領域的低功耗電子產品，供電電壓在5V內的電路，室內光照，比如日光燈的亮度，也能夠滿足電路正常工作的要求！
再次說明，電路是產品上確實使用的，我在介紹的時候有理論基礎，但是不會對理論基礎說明解釋太多，我會盡量用簡單的語言去表達效果，實在是有不懂的小伙伴可以自己補補基礎知識或者評論區提問。
我是矜辰所致，全網同名，盡量用心寫好每一系列文章，不浮夸，不將就，認真對待學知識的我們，矜辰所致，金石為開！
一、電路原型及元器件
首先用示意圖表示一下電路的原型：
那么需要實現這個電路，需要用到的2個必不可少的元件：超級電容，太陽能電池板。
太能能電池板做為電路原型中的能量來源，超級電容作為電路原型中的儲能設備。
1.1 超級電容
什么是超級電容？
借用百度百科的解釋（其他具體的特性可以自行查看）：
為什么用超級電容而不用電池？
簡單來說就是：使用場景和超級電容的特點。
超級電容充放電電路比電池簡單；
超級電容體積小適用于物聯網的小型低功耗產品；
超級電容能量轉換效率高，自放電?。?/p>
和電池相比過充、過放都不對其壽命構成負面影響。
超級電容的樣子
超級電容有各種各樣，在我們今天推薦的電路中，我使用的超級電容長相如下：
產品實物圖如下：
超級電容的選型
在超級電容的選擇上，要根據自己的需求來選擇超級電容的參數。
在一般的單片機應用電路中，常用的有 3.3V 供電或者 5V 供電的系統，對應的超級電容主要參數就是最大電壓值和容量：
注意超級電容的容量越大，不僅意味著所需要的充電時間越長，也意味著整個電路“啟動”的時間越長，因為容量大，所以需要達到負載能夠正常運行的電壓的啟動時間越長！
相對來說松下和 ELNA 的超級電容是質量比較好的，當然國內也有很多廠家也是還不錯的：比如我使用過的一款型號為：EECF5R5U155。（上面產品實物圖就是用的這個型號，僅供參考）
1.2 太陽能電池板
什么是太陽能電池板？
這個就一張圖就行了吧：
但是需要說明的是，我們的應用場合，并不需要用到圖中這么大的太陽能電池板，用 非晶硅太陽能電池片 來形容更加合適，上面的太陽能電池板也是由許多小型的 太陽能電池片 組合起來的。
在博主接觸的方案中，使用的太陽能電池板的款式如下：
( 圖片僅供參考，為了說明電路使用的太陽能板是什么樣子的，為了避免廣告嫌疑，打了馬賽克，但是我的產品確實用的這家的太陽能電池板)
產品實物圖如下：
太陽能板的選型
太陽能電池板的選擇，結構拋開不談，從電氣參數的角度考慮，主要需要注意的電壓指標和電流指標：
其中電流指標影響著充電的速度，其實也代表著電池板的工藝水平，這點我們倒是不用太在意，充電快一點和充電慢一點，雖然確實是產品的一個重要指標，但不是我們需要討論的范疇。
電池板有2個電壓指標，一個開路電壓，一個工作電壓。
開路電壓可以簡單而定理解，它給超級電容充電理論能充到的最大電壓值。
工作電壓可以簡單的理解為，帶了負載以后，他能輸出的最大電壓，但是工作電壓這個點其實要根據實際負載情況以及使用情況來看的，我個人認為他是不準確的（廠家肯定是根據某一個測試環境，用一個標準的負載給它做的參數標定），隨著負載的改變他是會改變的。
結合上面的超級電容型號，我們可以選擇合適的太陽能電池板，比如超級電容3.6V的，你想要能使得超級電電容充滿，就得選擇開路電壓大于3.6V的太陽能電池板。當然，超級電容不充滿也是可以使用的，具體選擇看自己的使用場景。
二、電路原理圖
上面我們把基礎介紹完畢了，根據上面的介紹的原型圖，我們可以先畫一個最簡單的框架：
當然這個電路肯定不能直接使用，我們需要對他進行必要的改進。
2.1 基本改進
首先是基本的改進，防止沒光照的時候電流倒灌，損壞太陽能電池板，所以我們需要加上二極管：
看上去好像是能用了，其實我個人感覺在某些場合這樣就能用了，但是我選擇的超級電容是 5.5V 電壓的，然后太陽能電池板開路可以達到6V，雖然帶了負載不可能達到6V，但是我們這么不規范不是我的風格！
所以還是要改！
如果只是為了測試超級電容效果，在控制好太陽能板的參數和超級電容參數的基礎上，這個可以作為測試電路。應用中電路需要改進，不規范，不通用！
2.2 過壓保護
上面的電路，我們得加上一個過壓保護，就是在超級電容充滿的時候使得充電電路斷開，一旦負載電路消耗了超級電容的電量導致電壓下降，又可以打開充電電路繼續充電。
那么自然而然的，我們得加一個開關電路，如下：
別急，這只是個過度電路，我們使用了個 PMOS， 在太陽能電池板 與 超級電容之間就有了個開關，
這里我們還需要一個電壓檢測器，我這里使用的是 BD4954：
BD4954的效果：如果BD4954的 2（VDD）腳,輸入的電壓超過5.4V，那么在他的 1（OUT）腳會輸出一個高電平（電壓和芯片的VDD基本一樣）。
圖中還能看到我加了一個電池，是的，這個電路其實已經可以用起來了，電池在超級電容沒有電的時候為負載供電，電池選用的是 鋰亞硫酰氯電池 3.6V 的電壓。而我們的超級電容容量可達 5.5V ，所以在光照足夠強的時候，負載的供電電源就是超級電容，電池的電量得到了很好的保存。電路是自動切換的。
加了過壓保護以后，這個電路已經能夠正常使用了！實際上我自己用得最多的就是這個電路。
但是，今天的分享沒有結束，這個是可以使用的電路，但還可以改進！
在這一段有一個細節需要說明，上面的電池和超級電容電源切換問題，理論上這個是一個自動切換電路，而且實際使用起來確實可以使用，但是考慮到壓降的問題，所有二極管使用的肖特基二極管，有一個問題：
二極管的反向漏電流，壓降越低的二極管，反向漏電流越大?。?！
上面的電路電池會通過二極管D2的反向漏電流給超級電容慢慢充電，最終導致超級電容的電壓永遠不會低于3.6V，但是一直會消耗電池的電量，但實際中，這點或許也不是一個壞的問題，因為他會使得有光照的時候，超級電容能夠快速的“啟動”。這個問題是實際使用遇到的，但是按照理論基礎的話，是不應該存在這種問題的。
2.3 快速啟動
我們前面在介紹超級電容的時候，為什么超級，因為他的電量大！
但是電量大也是一個問題，因為電量大使得在產品第一次使用的時候，如果環境光照不強，那么啟動會非常的緩慢，需要很長的時間才能夠使得電路能夠工作起來，那么有什么辦法可以讓電路快速啟動呢？
正好提到這個問題，在此說明一下：
本文的電路，如果有太陽光，那可以說是好用！太好用了！無敵！就是給了這個電路最合適的環境，最最喜歡的環境，最最舒服的環境！怎么說呢，即便超級電容第一次使用，沒有一點電量，1.5F的大容量，啟動也是幾分鐘就夠了！但是現實中，我們不可能天天有太陽，產品也不可能每時每刻都能夠接受陽光，而且大多物聯網產品是室內使用，所以我們需要考慮到在室內光照，燈光照射下的使用情況，總之就是光照強度沒那么強的的情況下的使用情況。我可以負責任的說，本電路在室內光照環境也是可用的，選好自己的器件型號！
回到剛才提到的那個問題，如何快速啟動呢？
注意，要快速啟動首先你的負載電路是低功耗的，不過話說回來，不是低功耗的電路也不建議你用這個電路供電。千萬不要到時候有人說，你這個電路不行，充滿電一下子就沒電了，其實是自己用的是非低功耗產品！再給個測試記錄說明：就這個電路供電，自己的產品充滿電以后，在3天3夜后拿出來還是正常工作的，期間每隔2小時還有心率報文（能量消耗最大的部分發無線報文）。
又跑題了，快速啟動可以使用一個大容量的電容，這個電容需要低泄漏電流、低電阻，470μF貼片鉭電容就是一個不錯的選擇，在鉭電容廠家， AVX是質量比較好的一個選擇，但是價格確實有點貴。
那么電路是如何改進的呢，如下圖：
看過去感覺沒什么問題，但實際上，這樣啟動不了！
具體原因是，超級電容會把鉭電容的電量拉低，太陽能電池板的“能量”也有一部分給與了超級電容，使得鉭電容得不到足夠的“能量”。
我們需要一個辦法，在需要快速啟動的時候切斷超級電容的供電，在啟動以后開啟給超級電容的充電，所以電路改成：
圖中我們使用?Contorl_IO?來控制超級電容是否充電，當?Contorl_IO?為低電平的時候，太陽能電池板全部給鉭電容C3充電，使得電路快速啟動，當電路啟動后Contorl_IO?變成高電平，超級電容正常充電。
Contorl_IO?可以使用負載電路中使用的芯片 IO 口。
上面的電路在之前的基礎上進行了改進，使得產品在沒電的情況下快速啟動不需要等那么長的時間，但是前提是你的產品必須是低功耗的，否則無法保持這個平衡，快速啟動都起不來，就沒有然后了。
如果你覺得你產品是低功耗，但是沒有那么低，可以嘗試多用一個470uF 的電容試試。
2.4 低壓保護
雖然上面說到的如果有電池在，通過二極管的反向漏電流，會使得超級電容電壓不會太低，但是如果產品沒有電池，或者電池沒電了呢。
實際使用，在沒有光照的情況下，我們不想超級電容過度的放電，因為電壓降到負載需要的最低電壓以下，負載電路已經不能正常工作了，但是超級電容其實連接著負載電路，還是會一直消耗電量。
這時候我們可以對超級電容的輸出部分做一個開關控制：
我們這里單獨分析過度放電保護，圖中我們使用?Contorl_IO?來控制超級電容的輸出，當?Contorl_IO?為高電平的時候，超級電容正常供電，當?Contorl_IO?為低電平的時候，超級電容與負載斷開，極地的自放電。
加了過度放電保護，可以使得超級電容電量在無光照且滿足不了負載工作的情況下電量不會降低太多，能夠在下次光照到來的時候更快的儲存電量，使得電路更快的穩定起來。
結語
雖然分享的電路的適用場景是物聯網領域，但是設計思路并不僅僅局限于低電壓的場合，也不僅僅局限于太陽能充電，其他場景一樣可以適用的。
還是得再次說明一下，其中一些三極管，MOS管開關的電路原理并沒有去特意解釋，因為個人覺得是基礎，當然不懂的朋友可以評論區提供，博主盡量一一答復。
編輯：黃飛
?
工商網監
評論