一种太阳能电池充电电路的制作方法

1.本发明属于照明电路技术领域，涉及一种太阳能电池充电电路。


背景技术：

2.太阳能板充电电路原理为太阳能电池板吸收阳光转化成直流电，通过汇流箱汇流传输到直流柜，直流柜汇流后有直流电通过逆变器逆变成交流电输出，通过升压变压器升压到所需要的电压并网到主网电路。
3.目前，电池充电采用三段式充电。
4.第一阶段：涓流充电，涓流充电用来对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3v左右时采用涓流充电，涓流充电电流一般是恒流充电电流的十分之一即0.1c(c是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mah的容量，1c就是充电电流1000ma)。
5.第二阶段：恒流充电，当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流一般在0.2c至1.0c之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2v。
6.第三阶段：恒压充电，当电池电压上升到接近4.2v时，充电曲线从恒流充电阶段切换到恒压充电阶段。在恒压充电阶段，充电电流根据电池充电的饱和程度变化，随着充电过程继续，充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.1c时，认为充电截止。
7.请参阅图1、图1所示为一种传统的锂电池充电器的原理示意图。如图所示，包含输入端、半导体开关m1、输出端、公共端、输出电压采样电路 r1和电阻r2、三段式充电控制电路和1/10c充电截止检测电路。充电器接在输入端和公共端之间，电池接在输出端和公共端之间，采样电阻r1和r2 采样电池电压给三段式充电控制电路，1/10c充电截止检测电路检测开关m1 的电流并输出信号给三段式充电控制电路，三段式充电控制电路根据上述两个信号控制半导体开关m1的栅压来实现三段式充电。
8.上述传统的锂电池充电器充电截止检测方法是：当电池充电处于第三阶段(恒压阶段)时，1/10c充电截止检测电路检测充电电流，当充电电流小于1/10c时，1/10c充电截止检测电路输出充电截止信号，充电器判断锂电池充满电，停止充电。
9.上述传统的锂电池充电方式的电流特点是：涓流充电和恒流充电的电流大小是恒定的，涓流充电的电流是0.1c,恒流充电的电流一般在0.2c至 1.0c之间,恒压充电阶段电流是根据电池充电的饱和程度从恒流阶段渐变到1/10c。该电路存在如下缺点：
10.①
.太阳能电池板给锂电池充电的电流没有规律可循，这要从充太阳能电池的特性说起。图2是一个太阳能电池规格书上的不同光照强度单节太阳能电池输出电流和电压的关系，电流大小和光照强度成正比，比如200w/m2 的光照太阳能电池输出约电流1.8a，比如800w/m2的光照太阳能电池输出电流7a，比如1000w/m2的光照太阳能电池输出电流8.8a；在固定光照条件下，在输出电压较低时，输出电流基本上不随太阳能电池电压变化，直到电压接近太阳能电池的开路电压电压时，输出电流开始变小；不同光照的强度的开路电压都
接近0.6v。
11.②
、常用的给单节锂电池充电的太阳能板一般是10个单节太阳能电池串联，所以开路电压可以达到6v，在一定光照强度下，在大约0到5v范围内太阳能板都能提供恒定的充电电流；但事实是一天中的光照强度不一样，早晚光照强度弱、中午光照强度强，雨天、阴天和晴天的光照强度不一样，不同季节的光照强度不一样，就算是同一天的同一个时刻由于云朵遮挡的原因光照强度也在时刻变化，所以太阳能电池板提供的电流也在时刻变化。
12.因此，如果采用上述太阳能电池线性充电方案就不能采用传统的锂电池三段式充电方法，主要原因有以下两个方面：一是太阳能电池线性充电方案不能采用恒流充电，因为恒流充电时，充电电流为固定值，但太阳能电池板提供的充电电流能力是随光照变化的，太阳能电池板提供的电流能力可能大于充电电流，这将导致太阳能电池输出电压接近开路电压，那么充电开关上就有很大的压差，开关管上的功耗将很大(p＝v*i)，容易烧毁充电器；二是由于太阳能板的输出电流能力随光照强度的变化，在锂电池充满之前太阳能板的充电电流就有可能降低到1/10c以下，这将导致充电截止检测电路检测到充电电流小于1/10c，然后误输出充电截止信号，充电器停止充电，但实际上锂电池还未充满。
13.也就是说，前面描述过太阳能电池板输出电流大小具有不确定性的特性：由于一天中的光照强度不一样，早晚光照强度弱、中午光照强度强，雨天、阴天和晴天的光照强度不一样，不同季节的光照强度不一样，就算是同一天的同一个时刻由于云朵遮挡的原因光照强度也在时刻变化，所以太阳能电池板提供的电流也在时刻变化。
14.用太阳能电池板给锂电池充电，如果还是采用传统的三段式充电，则在恒压充电阶段，由于天气因素变化，可能导致太阳能电池板提供的充电电流如图4所描述出现较大波动，则充电电流提前低于充电截止阈值，导致充电截止检测电路输出高电平信号，充电器提前停止充电；太阳能电池线性充电方案一般不采用三段式充电方案，也无法通过在恒压阶段检测电流小于 1/10c充电电流来判断锂电池充满。


技术实现要素：

15.为解决的上述技术问题，本发明提出一种全新的太阳能电池充电电路和充电截止检测方法来实现判断锂电池充满检测。
16.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
17.一种太阳能电池充电电路，其包括输入端、输出端、公共端、浮充电路、电压基准、nmos晶体管m1、nmos晶体管m2、电阻rl、输出电压采样电路、充电截止检测电路和衬底切换电路；
18.其中，太阳能电池板接在所述输入端和公共端之间，锂电池接在所述输出端和公共端之间；
19.所述nmos晶体管m1的源极连接到所述输入端，所述nmos晶体管m1的漏极连接到输出端，所述nmos晶体管m1的衬底连接所述衬底切换电路、所述nmos晶体管m1的栅极连所述浮充电路的输出信号vg1；
20.所述nmos晶体管m1为所述太阳能电池板给锂电池充电的主开关，充电电流主要流经所述nmos晶体管m1；
21.所述nmos晶体管m2源极连接到所述输入端，所述nmos晶体管 m2的漏极连接到电
阻rl，所述nmos晶体管m2的衬底连连接衬底切换电路，所述nmos晶体管m2的栅极连所述浮充电路的输出信号vg2；所述nmos晶体管m2是太阳能电池板给锂电池充电的辅助开关；
22.所述电阻rl一端连接所述nmos晶体管m2的漏极，另一端接所述输出端；所述电阻rl用于限制流经所述nmos晶体管m2的电流，通过所述电阻rl设定充电截止电流；
23.所述电压基准连接到浮充电路，给所述浮充电路提供参考电压；
24.所述输出电压采样电路包括分压电阻r1和分压电阻r2，其连接在所述输出端和所述公共端之间，用于检测电池电压，其中，所述分压电阻r1 和分压电阻r2的中间抽头连接到所述浮充电路，为所述浮充电路提供反馈信号vfb；
25.其中，所述浮充电路连接电压基准、分压电阻的中间抽头、充电截止检测电路，并输出vg1信号控制所述nmos晶体管m1，输出vg2信号控制所述nmos晶体管m2；所述浮充电路通过比较电压基准vref和反馈信号vfb信号来控制vg1信号和vg2信号，通过负反馈调节，最终保证 vfb＝vref vos，则所述锂电池浮充电压为(1 r1/r2)*(vref vos)，其中，vos为浮充电路差分对输入的失配电压；
26.所述充电截止检测电路输入端连接到所述浮充电路的vg1输出，其输出端连接到浮充电路；所述充电截止检测电路通过检测vg1电压来判断锂电池是否充满，检测到充满之后输出充电截止信号给所述浮充电路。
27.进一步地，所述浮充电路包括第一放大器、第二放大器和第三放大器，第一放大器的一输入端连接电压基准、一输入端连接分压电阻，所述第一放大器的输出端连接到所述第二放大器和第三放大器的输出端；
28.所述第二放大器的输出端连接到所述nmos晶体管m2的栅极；
29.所述第三放大器的输出端连接到所述nmos晶体管m1的栅极；同时连接到所述充电截止检测电路，为所述充电截止检测电路提供输入信号，用于检测电池是否充满；
30.所述第二放大器和第三放大器之间存在一个固定的失配，用于保证所述nmos晶体管m1会先于nmos晶体管m2关掉。
31.为实现上述目的，本发明的又一技术方案如下：
32.一种太阳能电池充电电路，其包括输入端、输出端、公共端、浮充电路、电压基准、pmos晶体管m1、pmos晶体管m2、电阻rl、输出电压采样电路、充电截止检测电路和衬底切换电路；
33.所述pmos晶体管m1的源极连接到输入端、所述pmos晶体管m1 的漏极连接到输出端、所述pmos晶体管m1的衬底连接衬底切换电路、所述pmos晶体管m1栅极连所述浮充电路的输出信号vg1；
34.所述pmos晶体管m2的源极连接到输入端、所述pmos晶体管m2 的漏极连接到电阻rl、所述pmos晶体管m2的衬底连连接衬底切换电路以及所述pmos晶体管m2的栅极连浮充电路的输出信号vg2；
35.所述电阻rl一端连接所述pmos晶体管m2的m2的漏极，另一端接输出端；
36.所述电压基准连接到所述浮充电路，给所述浮充电路提供参考电压；
37.所述输出电压采样电路包括分压电阻r1和分压电阻r2，其连接在输出端和公共端之间，用于检测电池电压，其中，所述分压电阻r1和分压电阻r2的中间抽头连接到浮充电路，为浮充电路提供反馈信号vfb；
38.其中，所述浮充电路连接电压基准、分压电阻中间抽头和充电截止检测电路，并输出vg1信号控制pmos晶体管m1，输出vg2信号控制pmos 晶体管m2；
39.所述充电截止检测电路输入端连接到浮充电路的vg1输出，其输出端连接到浮充电路；
40.其中，所述浮充电路连接电压基准、分压电阻的中间抽头、充电截止检测电路，并输出vg1信号控制所述pmos晶体管m1，输出vg2信号控制所述pmos晶体管m2；所述浮充电路通过比较电压基准vref和反馈信号vfb信号来控制vg1信号和vg2信号，通过负反馈调节，最终保证 vfb＝vref vos，则所述锂电池浮充电压为(1 r1/r2)*(vref vos)，其中，vos为浮充电路差分对输入的失配电压；
41.所述充电截止检测电路输入端连接到所述浮充电路的vg1输出，其输出端连接到所述浮充电路；所述充电截止检测电路通过检测vg1电压来判断锂电池是否充满，检测到充满之后输出充电截止信号给所述浮充电路。
42.进一步地，所述浮充电路包括第一放大器、第二放大器和第三放大器，第一放大器的一输入端连接电压基准、一输入端连接分压电阻，所述第一放大器的输出端连接到所述第二放大器和第三放大器的输出端；第二放大器的输入端连接到第一放大器的输出，输出端连接到pmos晶体管m2；
43.第三放大器的输入端连接到第一放大器的输出，输出端连接到m1，同时连接到充电截止检测电路，为充电截止检测电路提供输入信号，用于检测电池是否充满；
44.所述第二放大器和第三放大器之间存在一个固定的失配，用于保证 pmos晶体管m1会先于pmos晶体管m2关掉。
45.从上述技术方案可以看出，虽然不通过检测电流来判断充电截止，本发明仍然可以通过mos晶体管m2和电阻rl设置的充电截止电流，避免充电时间过长。
附图说明
46.图1所示为一种传统的锂电池充电器的原理示意图
47.图2所示为不同光照条件下单节太阳能电池输出电流和电压关系示意图
48.图3所示为传统的三段式充电恒压充电阶段充电截止检测波形示意图
49.图4所示为本发明实施例中阳能电池充电电路示意图
50.图5所示为本发明阳能电池充电电路一较佳实施例的示意图
51.图6所示为本发明实施例中恒压充电阶段充电截止检测波形示意图
具体实施方式
52.下面结合附图4-6对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
53.实施例1
54.请参阅图4，图4所示为本发明实施例中阳能电池充电电路示意图，采用pmos晶体管充电，该太阳能电池充电电路包括输入端、输出端、公共端、浮充电路、电压基准、nmos晶体管m1、nmos晶体管m2、电阻rl、输出电压采样电路、充电截止检测电路和衬底切换电路；其中，太阳能电池板接在所述输入端和公共端之间，锂电池接在所述输出端和公共端之间；所述 nmos晶体管m1的源极连接到所述输入端，所述nmos晶体管m1的漏极连接到输出端，所述
nmos晶体管m1的衬底连接所述衬底切换电路、所述nmos晶体管m1的栅极连所述浮充电路的输出信号vg1；所述nmos 晶体管m1为所述太阳能电池板给锂电池充电的主开关，充电电流主要流经所述nmos晶体管m1；所述nmos晶体管m2源极连接到所述输入端，所述nmos晶体管m2的漏极连接到电阻rl，所述nmos晶体管m2的衬底连连接衬底切换电路，所述nmos晶体管m2的栅极连所述浮充电路的输出信号vg2；所述nmos晶体管m2是太阳能电池板给锂电池充电的辅助开关；所述电阻rl一端连接所述nmos晶体管m2的漏极，另一端接所述输出端；所述电阻rl用于限制流经所述nmos晶体管m2的电流，通过所述电阻rl设定充电截止电流；所述电压基准连接到浮充电路，给所述浮充电路提供参考电压；所述输出电压采样电路包括分压电阻r1和分压电阻r2，其连接在所述输出端和所述公共端之间，用于检测电池电压，其中，所述分压电阻r1和分压电阻r2的中间抽头连接到所述浮充电路，为所述浮充电路提供反馈信号vfb；其中，所述浮充电路连接电压基准、分压电阻的中间抽头、充电截止检测电路，并输出vg1信号控制所述nmos晶体管m1，输出vg2信号控制所述nmos晶体管m2；所述浮充电路通过比较电压基准vref和反馈信号vfb信号来控制vg1信号和vg2信号，通过负反馈调节，最终保证vfb＝vref vos，则所述锂电池浮充电压为(1 r1/r2) *(vref vos)，其中，vos为浮充电路差分对输入的失配电压；所述充电截止检测电路输入端连接到所述浮充电路的vg1输出，其输出端连接到浮充电路；所述充电截止检测电路通过检测vg1电压来判断锂电池是否充满，检测到充满之后输出充电截止信号给所述浮充电路。
55.采用上述充电截止检测方法如下：
56.步骤s1：分压电阻r1和r2采样输出电压，然后输出采样信号vfb；浮充电路通过比较vref和vfb电压控制nmos晶体管m1和nmos晶体管m2给电池充电；
57.步骤s2：当vfb小于vref时，nmos晶体管m1和nmos晶体管 m2开启，太阳能电池板以最大电流能力通过nmos晶体管m1和nmos 晶体管m2给锂电池充电；当vfb接近vref时，进入恒压充电阶段，浮充电路根据电池充电的饱和程度限制nmos晶体管m1的充电能力，nmos 晶体管m2的充电能力没有被限制；当vfb＝vref vos时，浮充电路通过 vg1关掉开关管m1，nmos晶体管m2继续给锂电池充电；vos为浮充电路差分对输入的失配电压；充电截止检测电路通过检测vg1信号，判断m1 为关闭状态时输出充电截止信号给浮充电路；浮充电路根据充电截止信号判断充电已经完成，然后通过vg2信号关掉nmos晶体管m2，停止充电。
58.在本发明的实施例中，所述浮充电路可以包括第一放大器、第二放大器和第三放大器，第一放大器的一输入端连接电压基准、一输入端连接分压电阻，所述第一放大器的输出端连接到所述第二放大器和第三放大器的输出端；所述第二放大器的输出端连接到所述nmos晶体管m2的栅极；所述第三放大器的输出端连接到所述nmos晶体管m1的栅极；同时连接到所述充电截止检测电路，为所述充电截止检测电路提供输入信号，用于检测电池是否充满；所述第二放大器和第三放大器之间存在一个固定的失配，用于保证所述 nmos晶体管m1会先于nmos晶体管m2关掉。
59.实施例2
60.请再参阅图5，图5所示为本发明阳能电池充电电路一较佳实施例的示意图。在本发明的实施例中，该太阳能电池充电电路，其包括输入端、输出端、公共端、浮充电路、电压基准、pmos晶体管m1、pmos晶体管m2、电阻rl、输出电压采样电路、充电截止检测电路和衬底切换电路；所述pmos 晶体管m1的源极连接到输入端、所述pmos晶体管m1的漏极连接到输出
端、所述pmos晶体管m1的衬底连接衬底切换电路、所述pmos晶体管 m1栅极连所述浮充电路的输出信号vg1；所述pmos晶体管m2的源极连接到输入端、所述pmos晶体管m2的漏极连接到电阻rl、所述pmos晶体管m2的衬底连连接衬底切换电路以及所述pmos晶体管m2的栅极连浮充电路的输出信号vg2；所述电阻rl一端连接所述pmos晶体管m2的 m2的漏极，另一端接输出端；所述电压基准连接到所述浮充电路，给所述浮充电路提供参考电压；所述输出电压采样电路包括分压电阻r1和分压电阻r2，其连接在输出端和公共端之间，用于检测电池电压，其中，所述分压电阻r1和分压电阻r2的中间抽头连接到浮充电路，为浮充电路提供反馈信号vfb；其中，所述浮充电路连接电压基准、分压电阻中间抽头和充电截止检测电路，并输出vg1信号控制pmos晶体管m1，输出vg2信号控制pmos晶体管m2；所述充电截止检测电路输入端连接到浮充电路的vg1 输出，其输出端连接到浮充电路；其中，所述浮充电路连接电压基准、分压电阻的中间抽头、充电截止检测电路，并输出vg1信号控制所述pmos晶体管m1，输出vg2信号控制所述pmos晶体管m2；所述浮充电路通过比较电压基准vref和反馈信号vfb信号来控制vg1信号和vg2信号，通过负反馈调节，最终保证vfb＝vref vos，则所述锂电池浮充电压为 (1 r1/r2)*(vref vos)，其中，vos为浮充电路差分对输入的失配电压；所述充电截止检测电路输入端连接到所述浮充电路的vg1输出，其输出端连接到所述浮充电路；所述充电截止检测电路通过检测vg1电压来判断锂电池是否充满，检测到充满之后输出充电截止信号给所述浮充电路。
61.在本发明的实施例中，所述浮充电路可以包括第一放大器、第二放大器和第三放大器，第一放大器的一输入端连接电压基准、一输入端连接分压电阻，所述第一放大器的输出端连接到所述第二放大器和第三放大器的输出端；第二放大器的输入端连接到第一放大器的输出，输出端连接到pmos晶体管 m2；第三放大器的输入端连接到第一放大器的输出，输出端连接到m1，同时连接到充电截止检测电路，为充电截止检测电路提供输入信号，用于检测电池是否充满；所述第二放大器和第三放大器之间存在一个固定的失配，用于保证pmos晶体管m1会先于pmos晶体管m2关掉。
62.并且，在上述两个实施例中，充电截止检测方法均可以在实施例2中运用，在此不再赘述。
63.请参阅图6，图6所示为本发明实施例中恒压充电阶段充电截止检测波形示意图。如图6所示，用太阳能电池板给锂电池充电，如果采用本发明充电，则在恒压充电阶段，由于天气因素变化，可能导致太阳能电池板提供的充电电流如图3所描述出现较大波动，则充电电流提前低于晶体管m2和电阻rl设置的充电截止电流，但是充电电流偏小并不会导致充电截止检测电路输出高电平信号，因为本发明充电截止检测电路通过检测vg1电压来判断锂电池是否充满，具体来说vg1是由vfb和vref的差值控制和充电电流无关。
64.也就是说，本发明虽然不通过检测电流来判断充电截止，但仍然可以通过m2和rl设置的充电截止电流，避免充电时间过长。
65.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。