适用于物联网的太阳能充电电路设计方案

随着物联网的发展，很多智能电子设备都朝着低功耗方向发展，光能，风能，机械能等不同的自然能源都能被利用起来作为电子设备的能量来源。本文要分享一款太阳能充电电路。

前言

大家好，我又来分享电路了，这次的电路比较干货，绝对不会让大家失望！一来作为自己记录，二来还是希望抛砖引玉，希望大家能够提出修改建议，使得电路更加完善。

本充电电路适用于物联网领域的低功耗电子产品，供电电压在5V内的电路，室内光照，比如日光灯的亮度，也能够满足电路正常工作的要求！

再次说明，电路是产品上确实使用的，我在介绍的时候有理论基础，但是不会对理论基础说明解释太多，我会尽量用简单的语言去表达效果，实在是有不懂的小伙伴可以自己补补基础知识或者评论区提问。

我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！

一、电路原型及元器件

首先用示意图表示一下电路的原型：

那么需要实现这个电路，需要用到的2个必不可少的元件：超级电容，太阳能电池板。

太能能电池板做为电路原型中的能量来源，超级电容作为电路原型中的储能设备。

1.1 超级电容

什么是超级电容？

借用百度百科的解释（其他具体的特性可以自行查看）：

为什么用超级电容而不用电池？

简单来说就是：使用场景和超级电容的特点。

超级电容充放电电路比电池简单；

超级电容体积小适用于物联网的小型低功耗产品；

超级电容能量转换效率高，自放电小；

和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响。

超级电容的样子

超级电容有各种各样，在我们今天推荐的电路中，我使用的超级电容长相如下：

产品实物图如下：

超级电容的选型

在超级电容的选择上，要根据自己的需求来选择超级电容的参数。

在一般的单片机应用电路中，常用的有 3.3V 供电或者 5V 供电的系统，对应的超级电容主要参数就是最大电压值和容量：

注意超级电容的容量越大，不仅意味着所需要的充电时间越长，也意味着整个电路“启动”的时间越长，因为容量大，所以需要达到负载能够正常运行的电压的启动时间越长！

相对来说松下和 ELNA 的超级电容是质量比较好的，当然国内也有很多厂家也是还不错的：比如我使用过的一款型号为：EECF5R5U155。（上面产品实物图就是用的这个型号，仅供参考）

1.2 太阳能电池板

什么是太阳能电池板？

这个就一张图就行了吧：

但是需要说明的是，我们的应用场合，并不需要用到图中这么大的太阳能电池板，用非晶硅太阳能电池片来形容更加合适，上面的太阳能电池板也是由许多小型的太阳能电池片组合起来的。

在博主接触的方案中，使用的太阳能电池板的款式如下：

( 图片仅供参考，为了说明电路使用的太阳能板是什么样子的，为了避免广告嫌疑，打了马赛克，但是我的产品确实用的这家的太阳能电池板)

产品实物图如下：

太阳能板的选型

太阳能电池板的选择，结构抛开不谈，从电气参数的角度考虑，主要需要注意的电压指标和电流指标：

其中电流指标影响着充电的速度，其实也代表着电池板的工艺水平，这点我们倒是不用太在意，充电快一点和充电慢一点，虽然确实是产品的一个重要指标，但不是我们需要讨论的范畴。

电池板有2个电压指标，一个开路电压，一个工作电压。

开路电压可以简单而定理解，它给超级电容充电理论能充到的最大电压值。

工作电压可以简单的理解为，带了负载以后，他能输出的最大电压，但是工作电压这个点其实要根据实际负载情况以及使用情况来看的，我个人认为他是不准确的（厂家肯定是根据某一个测试环境，用一个标准的负载给它做的参数标定），随着负载的改变他是会改变的。

结合上面的超级电容型号，我们可以选择合适的太阳能电池板，比如超级电容3.6V的，你想要能使得超级电电容充满，就得选择开路电压大于3.6V的太阳能电池板。当然，超级电容不充满也是可以使用的，具体选择看自己的使用场景。

二、电路原理图

上面我们把基础介绍完毕了，根据上面的介绍的原型图，我们可以先画一个最简单的框架：

当然这个电路肯定不能直接使用，我们需要对他进行必要的改进。

2.1 基本改进

首先是基本的改进，防止没光照的时候电流倒灌，损坏太阳能电池板，所以我们需要加上二极管：

看上去好像是能用了，其实我个人感觉在某些场合这样就能用了，但是我选择的超级电容是 5.5V 电压的，然后太阳能电池板开路可以达到6V，虽然带了负载不可能达到6V，但是我们这么不规范不是我的风格！

所以还是要改！

如果只是为了测试超级电容效果，在控制好太阳能板的参数和超级电容参数的基础上，这个可以作为测试电路。应用中电路需要改进，不规范，不通用！

2.2 过压保护

上面的电路，我们得加上一个过压保护，就是在超级电容充满的时候使得充电电路断开，一旦负载电路消耗了超级电容的电量导致电压下降，又可以打开充电电路继续充电。

那么自然而然的，我们得加一个开关电路，如下：

别急，这只是个过度电路，我们使用了个 PMOS，在太阳能电池板与超级电容之间就有了个开关，

这里我们还需要一个电压检测器，我这里使用的是 BD4954：

BD4954的效果：如果BD4954的 2（VDD）脚,输入的电压超过5.4V，那么在他的 1（OUT）脚会输出一个高电平（电压和芯片的VDD基本一样）。

图中还能看到我加了一个电池，是的，这个电路其实已经可以用起来了，电池在超级电容没有电的时候为负载供电，电池选用的是锂亚硫酰氯电池 3.6V 的电压。而我们的超级电容容量可达 5.5V ，所以在光照足够强的时候，负载的供电电源就是超级电容，电池的电量得到了很好的保存。电路是自动切换的。

加了过压保护以后，这个电路已经能够正常使用了！实际上我自己用得最多的就是这个电路。

但是，今天的分享没有结束，这个是可以使用的电路，但还可以改进！

在这一段有一个细节需要说明，上面的电池和超级电容电源切换问题，理论上这个是一个自动切换电路，而且实际使用起来确实可以使用，但是考虑到压降的问题，所有二极管使用的肖特基二极管，有一个问题：

二极管的反向漏电流，压降越低的二极管，反向漏电流越大！！！

上面的电路电池会通过二极管D2的反向漏电流给超级电容慢慢充电，最终导致超级电容的电压永远不会低于3.6V，但是一直会消耗电池的电量，但实际中，这点或许也不是一个坏的问题，因为他会使得有光照的时候，超级电容能够快速的“启动”。这个问题是实际使用遇到的，但是按照理论基础的话，是不应该存在这种问题的。

2.3 快速启动

我们前面在介绍超级电容的时候，为什么超级，因为他的电量大！

但是电量大也是一个问题，因为电量大使得在产品第一次使用的时候，如果环境光照不强，那么启动会非常的缓慢，需要很长的时间才能够使得电路能够工作起来，那么有什么办法可以让电路快速启动呢？

正好提到这个问题，在此说明一下：

本文的电路，如果有太阳光，那可以说是好用！太好用了！无敌！就是给了这个电路最合适的环境，最最喜欢的环境，最最舒服的环境！怎么说呢，即便超级电容第一次使用，没有一点电量，1.5F的大容量，启动也是几分钟就够了！但是现实中，我们不可能天天有太阳，产品也不可能每时每刻都能够接受阳光，而且大多物联网产品是室内使用，所以我们需要考虑到在室内光照，灯光照射下的使用情况，总之就是光照强度没那么强的的情况下的使用情况。我可以负责任的说，本电路在室内光照环境也是可用的，选好自己的器件型号！

回到刚才提到的那个问题，如何快速启动呢？

注意，要快速启动首先你的负载电路是低功耗的，不过话说回来，不是低功耗的电路也不建议你用这个电路供电。千万不要到时候有人说，你这个电路不行，充满电一下子就没电了，其实是自己用的是非低功耗产品！再给个测试记录说明：就这个电路供电，自己的产品充满电以后，在3天3夜后拿出来还是正常工作的，期间每隔2小时还有心率报文（能量消耗最大的部分发无线报文）。

又跑题了，快速启动可以使用一个大容量的电容，这个电容需要低泄漏电流、低电阻，470µF贴片钽电容就是一个不错的选择，在钽电容厂家， AVX是质量比较好的一个选择，但是价格确实有点贵。

那么电路是如何改进的呢，如下图：