太阳能供电模块

基于Solar Cell的锂电池充放电模块

  • 由于一些需求,最近做了一款基于太阳能的锂电池充放电模块。该模块能够利用太阳能为锂电池充电和为负载提供5V的电压,在太阳能不充足的条件下,由锂电池提供需要的能量。

  • 主要思路是将太阳能板获得的能量存储在超级电容中,超级电容存储了一定能量后,再利用后续的TP5400(1A 锂电池充电和 5V/1A 升压控制芯片)对单节锂电池进行充电。

  • 经过测试,若太阳能充足的条件下,给锂电池充0.5V电压需要大概8小时( 3.7 V − > 4.2 V 3.7V->4.2V 3.7V>4.2V), (由于光照条件不是很好, 采用的是外部接6V的电源),晚上十一点左右开始充电 (锂电池电压约3.78V),第二天早上七点充电完成指示灯亮(此时锂电池电压为4.17V)

  • 之后太阳能板到后,又进行了一次测量。直接将模块放到窗台上,由于转秋阳光不是很充足,一个午睡的时间(大约两小时),锂电池电压只升高了0.01V ( 4.17 V − > 4.18 V 4.17V->4.18V 4.17V>4.18V)

  • 下面是实物图,以及测试的一些情况

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  • 超级电容储能不够,未接电池仅红灯亮(正常应该是绿灯亮,红灯闪烁)

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  • 接上电池后充电指示灯直接熄灭

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  • 在进行一定时间的光照后,当超级电容有足够能量后,接上电池,充电指示灯(红灯)亮

  • 下面将分为两部分电路,介绍该模块原理

电路原理

太阳能充电电路

基本原理: 利用超级电容储存太阳能板转换的能量

电路原理图

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  • SOLOR+ : 外接6V太阳能板 (输出电流约150mA)

  • BD4954G,电压检测芯片,当电压到达5.4V, VOUT输出高电平 (最后两位标明阈值电压)

  • Q1和BD4954G,Q1为PMOS管,当超级电容(C4)电压超过5.4V时,断开与太阳能板的连接

  • D1、D2、D3为肖特基二极管,防止电流倒灌对器件寿命造成的影响

  • C4: 超级电容 5.5V 4F 输出电流约100mA

  • 参考文章: 太阳能充电电路基本原理与设计 - 知乎 (zhihu.com)

TP5400锂电池充放电路

  • 集成 3.7 V − > 5.0 V 3.7V->5.0V 3.7V>5.0V升压功能

TP5400

工作原理 (szlcsc.com)

典型电路

  • 由于原理图画的比较丑,拿参考手册的典型电路进行讲解
    在这里插入图片描述

  • C H R G ‾ 和 S T D B Y ‾ \overline {CHRG}和\overline{STDBY} CHRGSTDBY两端接电源指示灯

  • PROG: 外接一个一定阻值的电阻,可以控制充电时电流的大小(最大1A)
    在这里插入图片描述

  • LX: 升压电路内部功率管输出端, 在LX和BAT直接接一个电感用来提供升压时所需的能量

  • 剩下的细节,参考手册即可

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电路原理图

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由于太阳能模块和超级电容输出电流能力有限,这里在PROG引脚外接一个 10 k Ω 10kΩ 10kΩ的电阻,将电流限制在大约 130 m A 130mA 130mA

整体PCB

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  • 用的嘉立创的EDA

总结

该模块做出来是想给单片机供电,测试过当超级电容储存满后,断电情况下,仍能使STM32F103C8T6和一块OLED显示屏工作大约一分钟左右(正常工作,主频72MHz)。而接入锂电池后(3.7V), 也不用担心在阳光充足的情况下模块不能工作。若配合STM32的低功耗模式,则理论上可以实现锂电池充放电的自动循环。

参考资料

太阳能充电电路基本原理与设计 - 知乎 (zhihu.com)

CN3063是可以用太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片.该器件内部包括功率晶体管,应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。内部的8位模拟-数字转换电路,能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流,用户不需要考虑最坏情况,可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力,非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。CN3063只需要极少的外围元器件,并且符合USB总线技术规范,非常适合于便携式应用的领域。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为4.2V,也可以通过一个外部的电阻调节。 充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时,CN3063自动进入低功耗的睡眠模式,此时电池的电流消耗小于3微安。其它功能包括输入电压过低锁存,自动再充电,电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。 CN3063采用散热增强型的8管脚小外形封装(SOP8)。 应用: 太阳能充电器 利用太阳能电池充电的应用 电子词典 便携式设备 各种充电器 特点: 内部集成有8位模拟-数字转换电路,能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流 可利用太阳能电池等输出电流能力有限的电压源供电的锂电池充电应用 输入电压范围:4.35V 到 6V 片内功率晶体管 不需要外部阻流二极管和电流检测电阻 恒压充电电压4.2V,也可通过一个外部电阻调节 为了激活深度放电的电池和减小功耗,在电池电压较低时采用涓流充电模式 可设置的持续恒流充电电流可达500mA 采用恒流/恒压/恒温模式充电,既可以使充电电流最大化,又可以防止芯片过热 电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式 充电状态和充电结束状态双指示输出 C/10充电结束检测 自动再充电 产品无铅
<think>好的,我现在需要帮助用户查找基于STM32F407的太阳能供电模块的详细设计方案。首先,我需要回顾用户提供的引用内容,看看是否有相关的信息可以利用。 引用[1]和[2]详细介绍了STM32F407的硬件特性,包括它的处理能力、外设资源以及内存配置。特别是提到它有低功耗模式、多种ADC和定时器,这些在太阳能供电系统中可能会用到。用户需要的是如何将STM32F407与太阳能供电模块结合起来的设计方案,所以需要从硬件设计、电源管理、软件优化等方面考虑。 首先,太阳能供电模块通常包括太阳能电池板、充电管理电路、电池存储以及电源管理模块。STM32F407需要在这些组件中起到监控和控制的作用,比如通过ADC实时监测电池电压和充电状态,利用定时器进行周期性的数据采集,并通过GPIO控制外部电源开关。 接下来,考虑低功耗设计。STM32F407支持多种低功耗模式,如睡眠模式、停止模式等。在太阳能供电系统中,合理使用这些模式可以显著降低能耗,延长电池续航时间。例如,当系统处于空闲状态时,可以进入低功耗模式,通过定时器或外部中断唤醒。 然后,充电管理电路的设计是关键部分。需要选择合适的充电管理IC,比如TP4056或BQ24650,这些芯片可以与STM32的ADC和GPIO配合,实现充电状态的监测和控制。此外,电池保护电路也是必要的,防止过充或过放,确保系统安全。 在软件方面,需要编写程序来管理电源,包括电池电压的实时监测、充电状态判断、低功耗模式切换以及故障处理。STM32的ADC可以配置为定期采样电池电压,通过DMA传输减少CPU占用,从而节省功耗。同时,利用看门狗定时器确保系统稳定运行。 可能还需要考虑能量收集的效率,比如MPPT(最大功率点跟踪)算法的实现。虽然STM32F407的计算能力较强,但实现MPPT需要一定的算法处理,可能需要用到浮点运算单元(FPU)或DSP库来优化性能。 最后,用户可能需要具体的电路图或代码示例,但由于引用中没有提供相关资料,建议参考ST官方文档或社区项目,比如ST的STM32Cube库中有相关的低功耗例程,可以借鉴。此外,开源平台如GitHub可能有基于STM32太阳能项目,用户可以参考这些资源进行设计。 总结下来,设计方案应涵盖硬件选型、电源管理、低功耗策略、软件实现以及安全保护措施。需要结合STM32F407的特性,充分利用其外设资源,确保系统高效稳定运行。</think>基于STM32F407的太阳能供电模块设计需要结合其硬件特性与低功耗管理策略,以下是详细设计方案: --- ### 一、硬件设计 1. **太阳能电池板选型** - 根据负载功率需求选择合适功率的太阳能板(如10W-50W),输出电压需匹配充电管理电路输入范围(如5V-18V)[^2]。 2. **充电管理电路** - 使用MPPT(最大功率点跟踪)控制器(如BQ24650)或集成充电管理芯片(如TP4056),通过STM32F407的ADC监测电池电压和充电电流,例如: $$ V_{bat} = \frac{ADC\_Value}{4095} \times 3.3V \times \frac{R1 + R2}{R2} $$ [^2] 3. **储能电池选择** - 推荐锂电池组(如18650,3.7V/2000mAh)或超级电容,需配置保护电路防止过充/过放。 4. **电源切换电路** - 使用MOSFET或电源管理IC(如TPS63020)实现太阳能与电池供电的无缝切换,通过STM32的GPIO控制使能信号。 --- ### 二、STM32F407核心功能实现 1. **低功耗模式配置** - 利用STM32F407的**睡眠模式**(Sleep)和**停机模式**(Stop),通过RTC或外部中断(如光照传感器)唤醒[^2]。 - 示例代码: ```c HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI); ``` 2. **数据采集与监控** - 使用内置12位ADC监测电池电压、太阳能板输出电流等参数,结合DMA提高效率[^2]。 - 配置定时器(如TIM2)周期性触发ADC采样,间隔可设为1-5分钟。 3. **通信与告警** - 通过USART或LoRa模块发送电池状态至云端,利用蜂鸣器/LED实现低电量本地告警。 --- ### 三、软件优化策略 1. **动态频率调整** - 根据任务负载动态调节主频(如从168MHz降至48MHz),降低功耗[^2]。 2. **任务调度算法** - 采用时间片轮询或FreeRTOS任务优先级管理,减少CPU空闲时间。 3. **能量均衡算法** - 实现基于模糊控制的充放电策略,代码逻辑示例: ```c if (battery_voltage < 3.3V) disable_load(); else enable_load(); ``` --- ### 四、安全设计 1. **过压/欠压保护** - 硬件上使用TL431设计电压比较器,软件中设置ADC阈值触发紧急关机。 2. **软件看门狗** - 启用独立看门狗(IWDG),超时时间设为2秒: ```c IWDG->KR = 0xCCCC; // 启动看门狗 IWDG->KR = 0xAAAA; // 喂狗 ``` --- ### 五、参考设计资源 1. **ST官方文档** - STM32F4xx低功耗应用笔记(AN4365)[^1] - ADC校准方法参考《STM32F4xx参考手册》第11章[^1] 2. **开源项目参考** - GitHub搜索“STM32 Solar MPPT”获取PCB与代码范例。 ---
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