XBLW/芯伯乐产品应用在户外存储电源上的开发设计

 

一、方案概述

 

文章前言

 

      户外存储电源，也称为便携式交直流电源，是一种内置锂离子电池、自储电能的多功能电源设备。它具有重量轻、容量大、功率高、寿命长、稳定性强的特点，非常适合户外活动使用。户外电源配备了多个USB接口，可以满足数码产品的充电需求，同时也可以输出直流电、交流电以及点烟器等常用电源接口，为笔记本电脑、无人机、摄影灯、投影仪、电饭煲、电风扇、水壶、汽车等设备供电。 

      在户外活动中，如露营、摄影、探险等，户外电源可以为各种设备提供电力支持，确保活动顺利进行。例如，它可以为野营灯供电，为智能手机充电以进行导航，甚至运行迷你冰箱以保持饮料凉爽。此外，户外电源在应急情况下也非常有用，如自然灾害发生时，可以作为临时电源，为家庭提供必要的电力支持。

 

二、功能定义及性能指标

 

容量：户外电源的容量通常以瓦时（Wh）为单位，决定了电源能够储存的电能总量。容量越大，电源能够供电的时间越长。

输出功率：输出功率决定户外电源的实际带载能力，以瓦特（W）为单位，如1000W的户外电源可以负载1000W以内的各种用电设备。

交流输出功能：可以输出交流220V或者100/110交流电，适用于不同国家的市电电压标准。

直流输出功能：能够输出常规48V、24V、19V、12V或5V直流输出，满足不同设备的充电需求。

放电模式：针对不同的快充协议提供不同的快充接口。

充电方式：户外电源可以通过市电、太阳能板、车载充电器等多种方式充电。

保护功能：户外电源应具备过充、过放、短路、过热等保护功能，以确保使用安全。
 

转换效率：指电源将电能从一种形式转换为另一种形式时的效率，通常以百分比表示。高转换效率意味着电源在转换过程中损耗的电能较少。

接口类型和数量：户外电源应提供多种接口，如USB、Type-C、DC、AC等，以满足不同设备的充电需求。

 

三、户外电源的原理

 

      户外电源，又称为便携式交直流电源，是一种多功能的储能设备。它的核心组件包括锂离子电池、逆变器、充电电路和控制电路。户外电源的工作原理主要基于储能和逆变技术。在充电时，外部电源通过充电管理模块将交流电转换为直流电，存储在锂电池中。当需要供电时，锂电池中的直流电进入逆变电路，逆变电路利用电子元件（如IGBT）将直流电转换为交流电，工作频率通常较高。之后，通过滤波电路去除高频杂波，输出较为稳定的交流电。 

      户外电源在充电方式上具有多样性，可以通过市电、太阳能板或车载充电器进行充电。它提供多种输出接口，包括AC插座、USB端口、DC端口等，以适应不同设备的充电需求。此外，户外电源还具备多重保护功能，包括过充、过放、短路和过热保护，确保使用过程中的安全性。高转换效率和便携设计使其成为户外活动、应急备用和户外工作的理想电源解决方案。

四、硬件设计

 

 

      户外电源主要分为如图几个模块，其中电池模组主要负责储存能量以及给内部电路供电，电池管理系统主要采集电流/电压等信息对电路进行保护，充放电管理主要是控制电池组的充电/放电，电量显示主要是与用户进行交互。本部分主要介绍以下相关电路：电流限制电路，RS485通信电路，大电流驱动电路，信号放大电路，数据存储电路，5V LDO供电电路。

1. 电流限制电路

      该电路以四路电压比较器 XBLW-LM339为核心构建的信号处理链路。主要用于监控和限制输入电流，以保护电路不受过高电流的影响。电路使用了一个XBLW-LM339电压比较器，通过电阻网络设置电压限制阈值。电压比较器比较输入电压（前端已将电流信号转换成电压信号）与参考电压（+3V和-3V Vref），从而实现电流限制。

     当输入电压超过预设限制时，电压比较器输出变化，驱动肖特基二极管（BAV70）导通，电阻R154和电容C115与二极管协同工作。此时，INV.Lim引脚输出低电平信号，通知其他电路或控制系统采取相应措施，如关闭输入。 

      电路中还包括滤波电容（C106和C111），用于平滑电压波动，减少噪声。整个电路设计旨在确保输入电流维持在安全范围内，防止过流对电路造成损害，同时通过INV.Lim信号提供状态反馈，XBLW-LM339的输出电压兼容TTL、CMOS逻辑系统，其低输入偏置电流低至25 nA，增强了系统的安全性和可靠性。

2. RS485通信电路

      该电路是一个RS-485通信接口电路，主要用于实现长距离和噪声环境下的多点数据串行通信。电路核心是XBLW-SN65176 RS-485高速差分收发器（U6），它负责将TTL信号转换为RS-485差分信号。为了保护电路，设计中包含了光耦合器（OP1和OP2）和瞬态电压抑制二极管（ZD1、ZD2和ZD3），以隔离接收和发送电路，并防止电压尖峰。 

      电阻（R5）和偏置电阻（R22和R13）来匹配传输线特性阻抗，减少信号反射，并在总线上没有活动驱动器时稳定电平。电源滤波电容（C24和C10）和信号耦合电容（C14）用于平滑电源电压和提供交流信号通路。 

      此外，电路设计中还包含了一些限流电阻（如R16）和保护二极管，以确保电路的安全性和稳定性。对于总线争用或导致设备内功率损耗过大的情况XBLW-SN65176增加了热关断电路处理，从而提供了一个可靠、稳定的RS-485通信接口。

3. 大电流驱动电路

      该电路是一个基于XBLW-ULN2003达林顿晶体管芯片的脉宽调制（PWM）信号放大电路，主要用于控制直流电机的速度和功率调节。电路中使用了1个XBLW-ULN2003芯片，单个芯片提供最大7个达林顿对，用于放大来自MCU的PWM信号。 

      XBLW-ULN2003每个达林顿对的输入端接收PWM信号，每级输入分别接了10K下拉电阻（如R157、R156等）这些电阻对信号进行钳位以及保护芯片。输出端连接到电机，通过调节PWM信号的占空比来控制电机。电路中的DCDCPWM+、DCDCPWM-、INVPWM+、INVPWM-等信号是放大后的PWM信号，用于驱动电机。 

      电路还包括+12V电源供电和接地连接，确保XBLW-ULN2003芯片正常工作。C62滤波电容用于平滑电源电压，减少噪声。采用的XBLW-ULN2003单通道达林顿管集电极最大可以输出500mA电流，最大可承受600mA电流，能够实现高效、稳定的电机控制。

4. 信号放大电路

图①负载电压信号放大

图②温度信号放大

      该电路是一个信号放大电路，其作用主要是将采集的负载电压、温度等信号通过XBLW-LM358双路运算放大器放大，再通过MCU进行AD采集从而获取相应的电压/温度值。核心组件是XBLW-LM358双路运算放大器（U10）。 

      通过分压电阻R50和R46接入运算放大器的反相（引脚2）和非反相（引脚3）输入端。运算放大器的增益由反馈电阻R47和输入电阻R46、R50的比值决定，电路中的+3V Vref通过R55和C49提供稳定的参考电压，滤波电容C48、C46和C88用于平滑电源电压和滤除输入信号中的高频噪声，确保运算放大器接收到的电压信号稳定。电源引脚（引脚4和引脚8）连接到+12V电源，为运算放大器提供工作电压。保护二极管D5（BAT54S）用于防止反向电压损坏运算放大器的输出。 

      采用XBLW-LM358高增益运算放大器能够实时监控负载电压及温度并及时响应过压/过温度情况，保护电路安全。通过合理设计电阻和电容的参数，可以调整电路的灵敏度和响应速度，以满足不同应用场景的需求。

5. 数据存储电路

      该电路是一个I2C接口的EEPROM存储器XBLW 24C02，最大可提供2K存储。电路通过A0、A1、A2引脚设置器件地址，VCC和GND提供电源，WP引脚用于写保护。SCL和SDA是I2C总线的时钟和数据线，各通过一个10kΩ的上拉电阻连接到+3.3V电源，确保线路在空闲时保持高电平。C47电容用于电源去耦，稳定电压。XBLW 24C02可在-40°C至+85°C范围内稳定工作，从而实现稳定的数据保存。

6. 5V LDO供电电路

      该电路图是一个5V线性稳压电源供电电路，设计用于将输入12V电压降至5V。电路通过XBLW-L7805稳压器稳定降至5V，输出滤波电容（C2、C53）用于平滑电压，减少电源噪声，确保输出电压的稳定性。整个电路通过接地连接确保稳定性和减少噪声。提高供电质量为后级电路提供稳定供电。XBLW-L78XX系列最高输出电流可达1.5A，具有热过载和短路保护功能。

 

 

五、逻辑框图

 

 

 

 

 

六、本方案重要器件推荐