一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板的制作方法

1.本实用新型属于电池充放电管理技术领域，尤其涉及一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板装置。


背景技术：

2.现有的以使用太阳能供电为主的设备，在后台不能实时的监控太阳能能量采集信息以及负载的工况信息。另外，如果太阳能采集装置或负载发生故障，不能及时有效的在后台反馈并主动切断发生故障的负载。
3.针对以上缺点，本实用新型提供一种以下一种新的解决方案。
4.本实用新型可以在现场或远程的后台实时监控太阳能设备的工况，并收集和处理相关数据信息，为相关设备的优化或部署提供数据支持，负载发生故障时可以主动切断负载，并且能够在远程及时发现相关子部件的故障，为设备维修人员提供参考。
5.本实用新型具体的优点：
6.1、具有远程通讯功能，能实时的监控太阳能能量采集信息以及本系统的工况信息；
7.2、如果太阳能采集装置或负载发生故障，能及时有效的在后台反馈并主动切断发生故障的负载。
8.3、电流采样精度高，过流保护响应快，保护响应时间小于1us且不需要软件介入，能够非常迅速的保护负载和系统；
9.4、防雷击和浪涌冲击保护，可以适合野外环境或复杂的电磁环境。
10.术语解释：
11.a、mosfet：场效应管，电压可控制其导通和关断；
12.b、差分运放：高阻抗输入，可以监测微小的电压差信号；
13.c、mcu：微控制器(micro control unit)；
14.d、adc：analog to digital converter，模拟数字转换器；
15.e、mppt：maximum power point tracking (mppt) capability by input voltage regulation 最大功率跟踪转换。


技术实现要素：

16.本实用新型实施例公开了以下内容：
17.一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，包括：太阳能板模块，雷击浪涌保护模块，第一电阻分压网络模块，第一四线高精度电流采样电阻模块，太阳能充电管理模块，第二电阻分压网络模块，第二四线高精度电流采样电阻模块，第三四线高精度电流采样电阻模块，第四四线高精度电流采样电阻模块，第五四线高精度电流采样电阻模块，差分运放和过流监测保护模块，第一pmosfet模块，第二pmosfet模块，第三pmosfet模块，第四pmosfet模块，第五pmosfet模块，逻辑或门模块，带adc功能的mcu模块，5g/4g模块，温湿度
传感器模块，后台服务器模块以及蓄电池模块，第一负载模块，第二负载模块，第三负载模块，第四负载模块，其中：
18.所述太阳能板模块和所述雷击浪涌保护模块一端连接，和所述电阻分压网络模块另一端连接，通过所述第一电阻分压网络模块连接到所述太阳能充电管理模块；
19.所述雷击浪涌保护模块和所述第一四线高精度电流采样电阻模块一端连接，和所述第二电阻分压网络模块一端连接，通过所述第二电阻分压网络模块连接到所述差分运放和过流监测保护模块；
20.所述第一四线高精度电流采样电阻模块至所述第五四线高精度电流采样电阻模块一端连接到所述差分运放和过流监测保护模块，另一端通过所述第一pmosfet模块至所述第五pmosfet模块，和所述蓄电池模块和所述第一负载模块至所述第四负载模块连接；
21.所述带adc功能的mcu模块，一端连接到所述逻辑或门模块，一端通过rs485连接到所述5g/4g模块以及所述后台服务器；
22.所述温湿度传感器模块一端连接到所述带adc功能的mcu模块。
23.进一步，优选的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，所述太阳能板模块用于实现光电转换功能。
24.进一步，优选的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，所述雷击浪涌保护模块用于实现雷击浪涌保护。
25.进一步，优选的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，所述第一电阻分压网络，所述第一四线高精度电流采样电阻模块和所述太阳能充电管理模块三模块用于把太阳能板的电压转换为蓄电池充电电压，采用mppt算法，实现3段式充电，其中，所述太阳能充电管理模块电源管理芯片优选采用bq24650。
26.进一步，优选的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，所述第二电阻分压网络，用于取样太阳能板电压和电池电压。
27.进一步，优选的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，所述第一四线高精度电流采样电阻模块，第二电阻分压网络模块，第二四线高精度电流采样电阻模块，第三四线高精度电流采样电阻模块，第四四线高精度电流采样电阻模块，第五四线高精度电流采样电阻模块，一起用于取样太阳能板电流，电池电流以及所述第一负载模块至所述第四负载模块电流。
28.进一步，优选的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，所述差分运放和过流监测保护模块，用于被取样的太阳能板电压和电池电压，太阳能板电流，电池电流以及第一负载模块至所述第四负载模块电流的小模拟信号放大，同时过流监测保护模块采用比较器器件实现硬件级的过流保护，把对应模块的异常报告给mcu。
29.进一步，优选的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，所述逻辑或门模块用于逻辑或功能，所述mcu可以和所述差分运放和过流监测保护模块同时控制所述蓄电池模块以及第一负载模块至所述第四负载模块的开关断；
30.所述带adc功能的mcu模块，用于通讯功能，模拟量到数字量的 转换功能，设备运行环境温湿度监控功能，电压电流监控功能，当负载和电池发生工况异常时，把异常信息告知后台，或者根据工况需要通过切断电源控制相关负载的工作状态；
31.所述温湿度传感器模块，用于设备运行环境温湿度信息的采集功能，把采集到的
温湿度信息告知所述mcu；
32.所述5g/4g模块，用于无线通信功能，把设备的相关信息通过无线信号传给所述后台服务器。
33.进一步，优选的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，所述采用mppt算法，实现3段式充电技术，其中3段式充电的充电效率可以达到90%或以上。
34.进一步，优选的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板，所有电路布置在整个电路板或者分离式电路板上。
35.从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：
36.1、使用差分运放和四线高精度电流采样电阻做电流采样功能，最小采样精度达0.1ma；
37.2、使用比较器和差分运放实现过流保护功能，过流保护响应时间达1us；
38.3、带有adc功能的mcu模块，实现本系统的智能监控功能；
39.4、防雷击和浪涌冲击保护模块，实现本系统的防雷击和浪涌冲击保护；
40.5、4g/5g通讯模块，与后台服务器，实现本系统远程监控功能。
附图说明
41.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
42.图1为本实用新型实施例中提供的硬件构成结构示意图。
43.图2为本实用新型实施例中提供的浪涌保护模块2电路示意图。
44.图3为本实用新型实施例中提供的太阳能充电管理模块5电路示意图。
45.图4为本实用新型实施例中提供的第二电阻分压网路模块6电路示意图。
46.图5为本实用新型实施例中提供的使用差分运放和四线高精度电流采样电阻做电流采样功能电路示意图部分。
47.图6为本实用新型实施例中提供的带有adc采样功能的mcu电路模块18电路示意图。
48.图7为本实用新型实施例中提供的温湿度监控模块26电路示意图。
49.图8为本实用新型实施例中提供的过流监测保护模块电路示意图。
50.图9为本实用新型实施例中提供的负载模块开关控制电路示意图。
51.图10为本实用新型实施例中提供的4g通讯模块24电路示意图。
52.图11为本实用新型实施例中提供的mcu控制模块，看门狗，时钟模块电路示意图。
53.图12为本实用新型实施例中提供的485通讯模块电路示意图。
54.图13为本实用新型实施例中提供的4路负载电压控制电路示意图。
55.图14为本实用新型实施例中提供的模拟开关模块和电源芯片ldo电路示意图。
56.图15为本实用新型实施例中提供的太阳能板电流信号放大模块，蓄电池/充电电流信号放大模块，差分运放的参考电压模块电路示意图。
57.图16为本实用新型实施例中提供的防止电流倒灌到太阳能模块，防止电池过放电
模块电路示意图。
58.图17为本实用新型实施例中提供的dc/dc模块电路示意图。
具体实施方式
59.结合图1到图17详细的描述本实施例
60.图1为本实用新型实施例中提供的硬件构成结构示意图。
61.如图1系统框所示，整个系统由太阳能板模块1，雷击浪涌保护模块2，第一电阻分压网络模块3，第一四线高精度电流采样电阻模块4，太阳能充电管理模块5，第二电阻分压网络模块6，第二四线高精度电流采样电阻模块7，第三四线高精度电流采样电阻模块8，第四四线高精度电流采样电阻模块9，第五四线高精度电流采样电阻模块10，差分运放和过流监测保护模块11，第一pmosfet模块12，第二pmosfet模块13，第三pmosfet模块14，第四pmosfet模块15，第五pmosfet模块16，逻辑或门模块17，带adc功能的mcu模块18，5g/4g模块24，温湿度传感器模块25，后台服务器模块26以及蓄电池模块19，第一负载模块20，第二负载模块21，第三负载模块22，第四负载模块23组成。
62.1、太阳能板模块1
63.主要实现光电转换功能。
64.2、雷击浪涌保护模块2
65.主要实现雷击浪涌保护，在雷雨天气，或周围有大功率设备等恶劣环境中，保护后级电路不损坏。
66.3、第一电阻分压网络3，第一四线高精度电流采样电阻模块4和太阳能充电管理模块5
67.这三个模块主要实现把太阳能板的电压转换为蓄电池充电电压，为最大限度的保护蓄电池，提高蓄电池寿命，在此前提下，采用mppt算法，实现3段式充电技术，充电效率可以达到90%或以上。
68.4、第二电阻分压网络6
69.取样太阳能板电压和电池电压。
70.5、第一四线高精度电流采样电阻模块4，第二电阻分压网络模块6，第二四线高精度电流采样电阻模块7，第三四线高精度电流采样电阻模块8，第四四线高精度电流采样电阻模块9，第五四线高精度电流采样电阻模块10
71.上述模块主要为取样太阳能板电流，电池电流以及第一负载模块20，第二负载模块21，第三负载模块22，第四负载模块23模块电流。
72.6、差分运放和过流监测保护模块11
73.主要实现被取样的太阳能板电压和电池电压，太阳能板电流，电池电流以及第一负载模块20，第二负载模块21，第三负载模块22，第四负载模块23模块电流的小模拟信号放大，同时过流监测保护模块采用比较器器件实现硬件级的过流保护，过流保护反应时间在微秒级。当后级模块（如蓄电池模块19，第一负载模块20，第二负载模块21，第三负载模块22，第四负载模块23）发生短路或异常大电流时，可以迅速关断相应的异常模块，从而保护整个系统。同时把对应模块的异常报告给mcu（18），mcu通过工业级通信协议rs485与5g/4g模块24通信，进而把异常告知后台（模块26）。
74.7、逻辑或门模块17
75.主要实现逻辑或功能，mcu(模块18)可以和模块11同时控制蓄电池模块19以及（第一负载模块20，第二负载模块21，第三负载模块22，第四负载模块23）的开关断开。
76.8、带adc功能的mcu模块18
77.主要实现通讯功能，模拟量到数字量的转换功能，设备运行环境温湿度监控功能，太阳能板、电池和负载电压电流监控功能；当负载和电池发生工况异常时，把异常信息告知后台；或者根据工况需要通过切断电源控制相关负载的工作状态。
78.9、温湿度传感器模块25
79.主要实现设备运行环境温湿度信息的采集功能，把采集到的温湿度信息告知mcu（18）。
80.10、5g/4g模块24
81.主要实现无线通信功能，把设备的相关信息通过无线信号传给后台，设备使用者可以在远程（必要时可以在现场）实时监控设备，并根据相关数据做出决策。
82.图2为本实用新型实施例中提供的浪涌保护模块2电路示意图。
83.压敏电阻rv1/rv3和r45形成第一级共模保护，rv1，c51，t1，c29，r33/r34，c33形成第一级差模保护，稳压二极管d6形成第二极差模保护。该保护模块的浪涌（冲击）保护电压大于4kv，可以过相对应的gb/t 17626.5-2008最高等级4。
84.nmos q2的主要作用是太阳能输入反接保护。其原理是：当太阳能板正接时，q2的gs间电压大于阈值电压，从而q2的ds间导通，与太阳能板形成回路；当太阳能板反接时，即：vcc_solar-是正电压，vcc_solar是负电压或0电压，此时q2的体二极管是反向截止的，q2的gs间电压小于阈值电压，q2的ds不导通，从而整个电路不能形成回路，达到反接保护的目的。
85.图3为本实用新型实施例中提供的太阳能充电管理模块5电路示意图。
86.主要功能是通过电源管理芯片bq24650，把太阳能板的电压转换成蓄电池电压，从而实现给蓄电池充电。该模块采用mppt算法，实现3段式充电技术，充电效率可以达到90%或以上。
87.图4为本实用新型实施例中提供的第二电阻分压网路模块6电路示意图。
88.该模块的主要功能是：通过分压电阻r58/r60、运放u13和r71/r75，运放u16，分别实现了太阳能板的电压以及蓄电池电压的取样跟随，该信号输入到带有adc功能的单片机，实现模数转换，从而测出太阳能板和蓄电池的电压。
89.图5为本实用新型实施例中提供的使用差分运放和四线高精度电流采样电阻做电流采样功能电路示意图。
90.以下以图5和图6合并进行描述阐述：
91.使用差分运放和四线高精度电流采样电阻做电流采样功能，最小采样精度达0.1ma；
92.四线高精度电流采样电阻r107/r126/r127/r128/r129（精度0.1%，温漂50ppm）与差分运放u11/u13/u14，可以实现太阳能输入电流和电池充/放电电流以及负载1~负载4的取样，流过电流采样电阻r107/r126/r127/r128/r129的电流越大，电阻两端的电压差就越大，通过差分运放u11/u13/u14可以实现信号放大，输入带有adc功能的单片机，就知道相对
应的电流了。
93.根据欧姆定律：v=αir，其中α是差分运放u11/u13/u14的放大增益，i是流过四线高精度电流采样电阻的电流，r是四线高精度电流采样电阻的阻值，通单片机的adc采样，可以得到电压值v，从而计算出电流值i。
94.图6为本实用新型实施例中提供的带有adc采样功能的mcu电路模块18电路示意图。
95.该模块的主要功能是：太阳能板电压、电流，蓄电池电压、电流以及4路负载的电流等模拟信号通过模块开关芯片u7切换，将这些模拟信号依次输入到mcu的adc通道，mcu经过模数转换成数字信号，从而测算出这些信号的数值。
96.u1是电源芯片ldo，输出3.3v给mcu供电的。
97.图7为本实用新型实施例中提供的温湿度监控模块26电路示意图。
98.该模块的主要功能是：mcu通过i2c读取温湿度传感器芯片u5的温度和湿度信息，从而实现监控设备的环境温度和湿度信息。
99.图8为本实用新型实施例中提供的过流监测保护模块电路示意图。
100.取样负载电流的信号经过差分运放u13/u14放大后，输入比较器u12的负端，如果负载电流较大，使得u12的负端输入大于正端电压，比较器u12输出低电平，通过nmos q3关断第一负载1的电压输出，从而达到保护系统和负载的目的。由于实现该功能，纯粹是通过硬件电路实现的，不需要软件的参与，因而可以非常迅速有力的（反应时间小于1us）实现过流保护。
101.同时u12的输出信号（pin1/pin7）输入到mcu的外部中断信号脚，mcu可以捕获该异常中断，从而判断出有过流异常发生。
102.图9为本实用新型实施例中提供的负载模块开关控制电路示意图。
103.mcu的gpio同时也可以通过u16控制负载的开关。
104.芯片u16是一款开漏输出芯片，主要实现“线与”的功能，mcu的gpio以及比较器如图13中所示u12/u24一起实现4路输出负载的电源开关控制，当4路输出负载未发生过流或短路异常时，u12/u24输出高电平，此时mcu的gpio可以通过u16/u26控制四路输出负载的电源开与关；当4路负载发生过流或短路异常时，u12/u24输出低电平，通过u16/u26马上关断4路负载的输出电源。
105.图10为本实用新型实施例中提供的4g通讯模块24电路示意图。
106.该模块的主要功能是把mcu单片机的串口数据转换成4g信号或把4g信号转换成串口数据，与mcu通讯，从而实现远程监控的功能。u27是一款4g芯片模块，主要实现4g信号和单片机mcu的串口信号转换。单片机mcu的串口信号通过u27转换成4g信号，就可以实现与远程建立通讯链接。把数据传输到后台服务器。
107.图11为本实用新型实施例中提供的mcu控制模块，看门狗，时钟模块电路示意图。
108.本附图中主要演示了mcu控制模块的烧录接口，看门狗复位模块，时钟模块。mcu控制模块的烧录接口通过接口j1-j_2r5_5，d22，d23，d24，等元器件来实现，j1接口电路是单片机的程序下载口，通过该接口实现单片机程序的在线烧录功能。
109.看门狗复位模块，芯片u2是一个硬件看门狗电路主要模块。单片机mcu通过程序喂狗，如果因某种原因，单片机mcu程序跑飞或挂死，导致单片机mcu不能及时喂狗，超过一定
时间后，u2发发出一个复位信号，硬件复位单片机，从而确保单片机程序正常运行。
110.时钟模块，芯片u4是一款时钟芯片，单片机把网络服务器的时钟信息与该时钟芯片的时钟同步，从而实现本地时钟和网络时钟同步。
111.图12为本实用新型实施例中提供的485通讯模块电路示意图。
112.本附图中主要演示了485通讯模块电路。485通讯模块电路通过u6来实现功能。芯片u6是一个485电路，主要实现把单片机的串口转换成工业级的485通讯，提高数据通讯链路的抗干扰能力。
113.图13为本实用新型实施例中提供的4路负载电压控制电路示意图。
114.本实用新型实施例中提供的4路负载电压控制原理电路示意图，4路负载电压控制模块，第一负载模块，第二负载模块，第三负载模块，第四负载模块，主要实现4路负载输出电源的电子开关控制。以第一负载模块为例说明，其他类似，它通过输出nmos si2304 vgs的高低电平实现nmos si2304的通断，进而实现pmos si4435的通断，从而实现4路负载输出电压的通断。当nmos si2304的vgs是高电平时，si2304的ds导通，与pmos si4435 gs之间并联的电阻和nmos si2304的d极串联的电阻形成回路，进而pmos si4435 vgs大于阈值，pmos的ds导通，从而实现负载输出电源的输出；反之，当nmos si2304的vgs是低电平时，si2304的ds不导通，与pmos si4435 gs之间并联的电阻和nmos si2304的d极串联的电阻开路，pmos的vgs没有压差，pmos的ds不导通，从而实现负载输出电源的关断。
115.芯片u16/u26是一款开漏输出芯片，主要实现“线与”的功能，mcu的gpio以及比较器u12/u24一起实现4路输出负载的电源开关控制，当4路输出负载未发生过流或短路异常时，u12/u24输出高电平，此时mcu的gpio可以通过u16/u26控制四路输出负载的电源开与关；当4路负载发生过流或短路异常时，u12/u24输出低电平，通过u16/u26马上关断4路负载的输出电源。
116.图14为本实用新型实施例中提供的模拟开关模块和电源芯片ldo电路示意图。
117.本实用新型实施例中提供的模拟开关模块和电源芯片ldo电路原理电路示意图。模拟开关模块通过u7来实现，u7是一个模拟开关电路（或称为3-8译码器），单片机mcu的gpio通过控制该芯片的选通脚s0/s1/s2，实现y0~y7之间某一路切换到com脚，输出到单片机mcu的adc脚，从而实现电压、电流模拟量的模数转换。
118.电源芯片ldo通过u1来实现功能，u1是一个电源dc-dc模块，是一款线性ldo电源模块，为单片机mcu的提供3.3v供电，优选的采用tlv70433dbvr。
119.图15为本实用新型实施例中提供的太阳能板电流信号放大模块，蓄电池/充电电流信号放大模块，差分运放的参考电压模块电路示意图。
120.本实用新型实施例中提供的太阳能板电流信号放大模块，蓄电池/充电电流信号放大模块，差分运放的参考电压模块电路原理电路示意图。太阳能板电流信号放大模块通过u11来实现；蓄电池/充电电流信号放大模块通过u12来实现功能；差分运放的参考电压模块通过u17来实现功能。
121.图16为本实用新型实施例中提供的防止电流倒灌到太阳能模块，防止电池过放电模块电路示意图。
122.本实用新型实施例中提供的防止电流倒灌到太阳能模块，防止电池过放电模块电路示意图。防止电池电流倒灌到太阳能板模块：当晴朗天或光照强度足够大时，太阳能面板
有电压输出，通过分压电阻网络r77/r83，q3(nmos si2304)vgs的电压大于阈值电压，q3的ds导通，拉低了q7(pmos si4435)g极电压，使得q7的vgs电压大于阈值电压，q7的ds导通，实现电池充电；反之，当晚上或光照强度不够时，太阳能面板没有电压输出，q3(nmos si2304)vgs的电压小于阈值电压，q3的ds不导通，q7的vgs电压为0，小于阈值电压，q7的ds不导通，且体二极管反向截止，从而实现防止电池电流倒灌到太阳能板模块。
123.防止电池过放电模块：当电池电压大于截止电压时，通过分压电阻网络r29/r86，使得q8(nmos si2304)vgs的电压大于阈值电压，q8的ds导通，拉低了q12(pmos si4435)g极电压，使得q12的vgs电压大于阈值电压，q12的ds导通，实现电池向负载放电；反之，当电池电压小于截止电压时，q8(nmos si2304)vgs的电压小于阈值电压，q8的ds不导通，q12的vgs电压为0，小于阈值电压，q12的ds不导通，且体二极管反向截止，从而实现防止电池过放电功能。
124.图17为本实用新型实施例中提供的dc/dc模块电路示意图。
125.本实用新型实施例中提供的dc/dc模块示意图。dc/dc模块通过u29实现功能。
126.综述，如图1系统框所示，整个系统由太阳能板模块1，雷击浪涌保护模块2，第一电阻分压网络模块3，第一四线高精度电流采样电阻模块4，太阳能充电管理模块5，第二电阻分压网络模块6，第二四线高精度电流采样电阻模块7，第三四线高精度电流采样电阻模块8，第四四线高精度电流采样电阻模块9，第五四线高精度电流采样电阻模块10，差分运放和过流监测保护模块11，第一pmosfet模块12，第二pmosfet模块13，第三pmosfet模块14，第四pmosfet模块15，第五pmosfet模块16，逻辑或门模块17，带adc功能的mcu模块18，5g/4g模块24，温湿度传感器模块25，后台服务器模块26以及蓄电池模块19，第一负载模块20，第二负载模块21，第三负载模块22，第四负载模块23组成，现有的以使用太阳能供电为主的设备，在后台不能实时的监控太阳能能量采集信息以及负载的工况信息。另外，如果太阳能采集装置或负载发生故障，不能及时有效的在后台反馈并主动切断发生故障的负载。本实用新型可以在现场或远程的后台实时监控太阳能设备的工况，并收集和处理相关数据信息，为相关设备的优化或部署提供数据支持，负载发生故障时可以主动切断负载，并且能够在远程及时发现相关子部件的故障，为设备维修人员提供参考。
127.以上对本实用新型所提供的一种用于太阳能充电的具有四路负载输出的供电板进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。