一种智能供电设备的制作方法

本实用新型涉及照明技术领域，尤其涉及一种智能供电设备。

背景技术：

电源是嵌入式系统的重要组成部分，特别是对于野外布置的无线传感器网络节点来说，供电线路的铺设难度较大，采用电池供电时需要定期更换电池，在一定程度上增加了系统维护的成本。太阳能供电系统不仅解决了野外长时间无人监护的网络节点的供电问题，而且还具有供电持久、环保节能和便于维护等优点，具有良好的应用前景。

太阳能供电系统设计的关键问题是通过太阳能电池板对锂电池进行充电，同时需要实时检测充电电压和充电电流，避免因过充而导致锂电池永久性损坏；此外还需要设计锂电池放电保护电路，对放电电压进行实时监测，防止过放电导致锂电池损坏。太阳能供电系统主要由太阳能电池板、可充电锂电池、充电控制器和放电保护电路组成。由于太阳能电池板的输出电压不稳定，传统的太阳能供电系统往往因为锂电池充放电管理不合理，导致锂电池使用寿命大大缩短。这已成为了急需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种，该系统能够自动管理锂电池的充电过程并进行有效的能量储存，通过对电池电压的监测避免锂电池过度放电，以达到延长锂电池寿命的目的。此外由于zigbee无线传感器网络节点所需电压为3.3V，而锂电池的工作电压一般在3.6～4.2V(正常放电电压为3.7V，充满电时的电压为4.2V)，所以需要DC-DC转换芯片产生所需要的工作电压。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种智能供电设备，该智能供电设备包括太阳能电池板、充电控制单元、锂电池、供电管理单元以及直流转换单元，其特征在于：

充电控制单元分别与太阳能电池板和锂电池连接，该充电控制单元将收集到的能量存储在锂电池中，供电管理单元分别与锂电池和直流转换单元连接；

太阳能电池板选用80mm×45mm的电池板，该电池板最大输出功率时输出电压为5.5V,电流为150mA，转换效率为16％；

所述锂电池采用没有记忆效应的容量为2000mAh，工作电压为3.7V的锂电池；

所述充电控制单元采用面向锂离子电池的智能充电控制芯片LTC4070；

其中所述供电管理单元包括电池门限设置单元和电池电压测量单元。

优选地，所述电池门限设置单元中采用芯片MAX680和MAX8211构成锂电池放电门限设置电路。

优选地，所述电池电压测量单元采用电压基准芯片LM4041。

优选地，所述直流转换单元采用芯片LTC3537。

本实用新型的技术方案所能获得的有益效果包括：该系统采用了高效安全的充电控制技术,独特的电池电压监测电路,以及低功耗的DC-DC转换电路。通过实验验证，基于此太阳能电源的传感器节点功耗动态调整节性能好,生存周期显著增加。该系统可应用于各种户外监测的节点，如环境监测、精细农业、森林防火等。

附图说明

图1为该智能供电设备的组成原理图；

图2为充电控制单元的电路示意图；

图3为电池门限设置单元的电路示意图；

图4为电池电压测量单元的电路示意图；

图5为直流转换单元的电路示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本实用新型，现结合具体实施例以及说明书附图对技术方案作进一步的说明。虽然实施例中记载了这些具体的实施方式，然其并非用以限定本实用新型，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

该智能供电设备的组成原理图如图1所示。该智能供电设备包括太阳能电池板、充电控制单元、锂电池、供电管理单元以及直流转换单元，充电控制单元分别与太阳能电池板和锂电池连接，该充电控制单元将收集到的能量存储在锂电池中，供电管理单元分别与锂电池和直流转换单元连接；太阳能电池板选用80mm×45mm的电池板，该电池板最大输出功率时输出电压为5.5V,电流为150mA，转换效率为16％；所述锂电池采用没有记忆效应的容量为2000mAh，工作电压为3.7V的锂电池；所述充电控制单元采用面向锂离子电池的智能充电控制芯片LTC4070；其中所述供电管理单元包括电池门限设置单元和电池电压测量单元。

该供电系统中，太阳能电池板产生的能量通过充电控制单元被存储在锂电池中，同时对锂电池提供充电保护，防止过充；由于电池放电时其端电压会逐渐降低，因此需要供电管理单元对放电电压进行监测，当电池电压下降到一定程度时切断放电电路，避免锂电池过放电。由于应尽可能少地消耗电池能量，必须提高电源的转换效率，因此设计了一个具有高效率的直流转换单元为节点上的负载提供稳定的电压。

该智能供电设备各个单元电路的设计主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式实现。系统设计的思路是：首先估算系统总功耗，然后选择合适的锂电池，进而根据锂电池的容量来选择所需的太阳能电池板；根据太阳能电池板和锂电池的充电电压、充电电流等参数，可以选择合适的充电管理IC来设计充电控制电路；最后根据锂电池输出电压和zigbee无线传感器网络节点所需的工作电压来设计合适的DC-DC变换电路。

充电控制单元的电路示意图如图2所示。充电控制单元连接着太阳能电池板和锂电池，主要功能是将收集到的能量有效地存储在锂电池中。该充电控制单元采用凌力尔特公司(Linear Tech2nology Corporation)推出面向锂离子电池的智能充电控制芯片LTC4070。该器件以其450nA的工作电流，用以前不能使用的非常低电流、断续或连续充电，对电池进行充电和保护。该器件的功能非常适用于连续和断续、低功率充电电源应用。LTC4070具有引脚可选的4.0V，4.1V或4.2V设置，其1％准确度的电池浮置电压允许用户优化电池容量和寿命之间的平衡。

独立的低电池电量和高电池电量监察状态输出表明电池已放电或充分充电。加上一个与负载串联的外部PFET，该低电池电量状态输出实现了锁断功能，该功能自动使系统负载与电池断接，以保护电池免于深度放电。太阳能电池板未对锂电池进行充电时为了减少L TC4070能量消耗添加三极管Q1，当Q1基极电压下降时将LTC4070与锂电池隔离。在正常充电模式下大部分电流通过Q1流向锂电池。当VCC到达ADJ设置的浮点电压时，LTC4070分流Q1中bc结的电流持续的减少电池充电电流直至0，并且Q1进入饱和状态。

如果热敏电阻T升高浮点电压降低，L TC4070将分流更多的电流，Q1强制进入反偏状态直到电池电压下降。ADJ引脚用于设置浮点电压，当接至地时为4.0V，接至VCC时为4.2V，悬空时为4.1V。当锂电池电压低于3.2V时LBO拉高D1点亮,当锂电池充电饱和后，HBO拉高，D2点亮。

电池门限设置单元的电路示意图如图3所示，由MAX680及MAX8211构成的锂电池放电门限设置电路。在该电路中,当锂电池电压下降到由R1和R5所决定的门限电压时，MAX8211就会截止MAX680的供电电压,最后使IRF541处于关闭状态而断开供电电池与负载电路。

电池电压测量单元的电路示意图如图4所示，为了能够执行有效的电源管理，需要了解电池能量的储存情况，并根据任务需求和自身能量状态调整工作状态和通信策略。设计中采用LM4041电压基准芯片，有微处理器采样其端电压。U4为LM404121.2，该芯片为微功耗精密稳压管。

由于MCU与传感器所需电压不一致,而且锂电池的供电电压为3.7～4.2V，这就需要进行DC-DC转换。本方案中选用凌特公司的LTC3537芯片。LTC3537具有集成输出断接功能和LDO的2.2MHz、电流模式同步升压型DC/DC转换器。该器件的升压型转换器内部600mA开关可从启动时的0.68V(工作时为0.5V)至5V输入电压范围提供高达5.25V的输出电压,非常适用于锂离子/聚合物或单节/多节碱性/镍氢金属电池应用。直流转换单元的原理图如图5所示。

本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。