適用于物聯網的太陽能充電電路設計方案

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，自放電小；

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：