基于XL6009和XL4001的便携户外应急发电装置的设计

　　现如今大量电子设备得到应用，极大地方便了人们的工作、生活和通信。这些设备大都使用电池作为电源，持续时间为几天甚至短至一天，需要及时充电。长期在野外作业时，对电力有急切的需求。便携式微型发电装置，占用空间小，便于携带，使用方法简单，能廉价地满足电子设备用电及电池充电的需求，可以多电压输出，方便快捷地为各类电子设备提供电源。

　　近年来，便携式发电机的发展很快，但多数是以柴油发电机为原型发展的，且柴油发电机使用时需携带柴油等燃料，一旦燃料用尽将无法使用，局限性很大，携带时仍旧麻烦、笨重。

　　本文针对户外作业等场合需要应急电源问题，提出一种手摇应急发电装置。使用一种微型发电机，配以升压模块电路和稳压模块电路，给锂电池充电或给用电电器供电，并通过配置一个逆变器提供交流220V电压输出。

　　1、总体设计方案

　　该应急发电装置的总体方案如图1所示，包括微型手摇直流发电机、升压电路、降压稳压电路、充电控制电路、锂电池组和逆变器等部分。微型手摇直流发电机输出的电压不稳定，不能直接给负载使用，配置升压电路和降压稳压电路，可以向负载输电。当发电功率大于负载功率时，还可对锂电池组充电。当发电功率不足时，锂电池组和手摇直流发电机共同向负载供电。充电控制电路负责锂电池组的充电管理。逆变器的功能是将锂电池组的直流12V电压逆变为交流220V电压，适配其它类型小功率电子设备。

　　

　　2、硬件电路设计

　　2．1、手摇直流发电机的选择

　　考虑到多数便携式用电器的电池充电功率不超5W，手摇直流发电机选用的型号为TSUKASA公司的TG－B5E－CH。该型号发电机具有体积小、噪音小、寿命长、抗干扰强、节能环保等优点，其主要技术参数为：电压6～24V；电流100MA；转速24～9BR／MIN；额定扭矩0．63BN·M；过载扭矩0．9B1N·M；额定功率BW；减速比1∶77；质量500G；正反回转。

　　2．2、升压电路设计

　　为简化设计，选用XL6009DC－DC升压模块配以少量的电子元件实现，相应的升压电路如图2。

　　XL6009是一个宽范围输入、电流模式、直流转换器，能够产生或正或负的输出电压；可以配置为升压、反激式、SEPIC或反相转换器。采用单列5脚封装，引脚描述见表1。输入电压为5～32V，可以用单个反馈引脚的正或负输出电压编程；工作电流为4A；频率为320～4B2KHｚ，固定的400KHｚ开关频率，内置频率补偿，工作温度为－40～125℃。电流模式控制提供出色的瞬态响应，SW引脚内置过电压保护，有着出色的线路和负载调节和关断能力；内置N沟道MOSFET和固定频率振荡器；内置过流、过冲、过温的高可靠性功能模块，内置MOSFET效率高达94％；内置频率补偿；内置软启动、热关断及电流限制功能。该模块集成度高、效率高、成本低。

　

　　

　　将其配置成升压稳压模块，输入电压接在芯片1脚和4脚，并在两端并连一个电解电容消除噪声。

　　升压模块特点：①采用常规拓扑ＢOOST全集成恒压输出方案，外围器件少，系统成本低；②内置电位器可调输入输出关系，高于设定输出电压时，输出等于输入。

　　2．3、降压电路设计

　

　　XL4001是一个150KHｚ固定频率脉宽调制（降压型）DC／DC转换器，具有2A负载驱动能力并且效率高、低纹波和极好的线性，负载调节能力好。可调输出使用简单。芯片引脚描述见表2。脉宽调制控制电路可以线性调节占空比0～100％，具有使能功能，内置过流和短路保护功能；具有恒压CV、恒流CC、过压保护OVP功能。恒压CC模式是通过电阻RCS测量二极管电流并实现电流模式控制。在正常工作情况，二极管电流由0．155V的PWM控制器内部参考电压除以RCS电阻值所决定。即I＝0．155／RCS，因为RCS两端的电压在正常工作条件下将一直保持在0．155V。恒压CV模式是通过电阻R3和R4测量输出电压并实现电压模式控制，一般CV设置为用户所需要的电池的充满电状态下的电位。一旦电池的电位超过设定的电位，芯片停止输出。

　　该降压电路采用图3的连接方式，那么输出电压为：U3＝1．235（1＋R3／R4）。

　　降压模块特点：

　　①用于便携充电的全集成方案，系统成本低，可靠性高；

　　②IC内部CC、CV都是通过控制PWM实现的，因此输出电压、输出电流、输出过压保护的精度更高，响应速度很快；

　　③XL4001为40V高压双极工艺制造，更加耐用，可应用于多种环境。

　　2．4、恒压充电电路设计

　　模块原理图见图4，将其配置为对单串锂电池进行恒流／恒压充电的充电电路。采用CN306B芯片电路，其引脚描述见表3。充电电流通过RIR调节，当输入电压掉电时，芯片自动进入电池的电流消耗小于3μA的低功耗睡眠模式。红色LED为通电指示灯，绿色LED为使用指示灯。

　　

　　2．5、电池选择

　　考虑到电池重量及电量存储量，选用的是4节锂电池并联，这样可以使电池输出电压控制在3．7V，并且得到相对较大的电流。适配CN306B充电电路使用恒压充电模式。其中锂电池具有易携带、比能量高、循环寿命长、充电功率范围宽和倍率放电性能好等优点。而蓄电池比能量低，循环寿命较短，自放电，过充电时有大量的气体产生，因此选用锂电池。

　　3、结论

　　该应急发电装置，以TSUKASA发电机为载体，将便捷的人力转换为电力。所产生的不稳定的电流电压，再通过XL6009升压模块和CN306B稳压模块等，将其转换为稳定的、安全的、可以直接供给用电器的稳定的5V电压。继而再通过一个逆变器设备，可以输出220V交流电。