現(xiàn)如今大量電子設備得到應用，極大地方便了人們的工作、生活和通信。這些設備大都使用電池作為電源，持續(xù)時間為幾天甚至短至一天，需要及時充電。長期在野外作業(yè)時，對電力有急切的需求。便攜式微型發(fā)電裝置，占用空間小，便于攜帶，使用方法簡單，能廉價地滿足電子設備用電及電池充電的需求，可以多電壓輸出，方便快捷地為各類電子設備提供電源。

　　近年來，便攜式發(fā)電機的發(fā)展很快，但多數(shù)是以柴油發(fā)電機為原型發(fā)展的，且柴油發(fā)電機使用時需攜帶柴油等燃料，一旦燃料用盡將無法使用，局限性很大，攜帶時仍舊麻煩、笨重。

　　本文針對戶外作業(yè)等場合需要應急電源問題，提出一種手搖應急發(fā)電裝置。使用一種微型發(fā)電機，配以升壓模塊電路和穩(wěn)壓模塊電路，給鋰電池充電或給用電電器供電，并通過配置一個逆變器提供交流220V電壓輸出。

　　1、總體設計方案

　　該應急發(fā)電裝置的總體方案如圖1所示，包括微型手搖直流發(fā)電機、升壓電路、降壓穩(wěn)壓電路、充電控制電路、鋰電池組和逆變器等部分。微型手搖直流發(fā)電機輸出的電壓不穩(wěn)定，不能直接給負載使用，配置升壓電路和降壓穩(wěn)壓電路，可以向負載輸電。當發(fā)電功率大于負載功率時，還可對鋰電池組充電。當發(fā)電功率不足時，鋰電池組和手搖直流發(fā)電機共同向負載供電。充電控制電路負責鋰電池組的充電管理。逆變器的功能是將鋰電池組的直流12V電壓逆變?yōu)榻涣?20V電壓，適配其它類型小功率電子設備。

　　2、硬件電路設計

　　2．1、手搖直流發(fā)電機的選擇

　　考慮到多數(shù)便攜式用電器的電池充電功率不超5W，手搖直流發(fā)電機選用的型號為TSUKASA公司的TG－B5E－CH。該型號發(fā)電機具有體積小、噪音小、壽命長、抗干擾強、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，其主要技術參數(shù)為：電壓6～24V；電流100MA；轉速24～9BR／MIN；額定扭矩0．63BN·M；過載扭矩0．9B1N·M；額定功率BW；減速比1∶77；質量500G；正反回轉。

　　2．2、升壓電路設計

　　為簡化設計，選用XL6009DC－DC升壓模塊配以少量的電子元件實現(xiàn)，相應的升壓電路如圖2。

　　XL6009是一個寬范圍輸入、電流模式、直流轉換器，能夠產生或正或負的輸出電壓；可以配置為升壓、反激式、SEPIC或反相轉換器。采用單列5腳封裝，引腳描述見表1。輸入電壓為5～32V，可以用單個反饋引腳的正或負輸出電壓編程；工作電流為4A；頻率為320～4B2KHｚ，固定的400KHｚ開關頻率，內置頻率補償，工作溫度為－40～125℃。電流模式控制提供出色的瞬態(tài)響應，SW引腳內置過電壓保護，有著出色的線路和負載調節(jié)和關斷能力；內置N溝道MOSFET和固定頻率振蕩器；內置過流、過沖、過溫的高可靠性功能模塊，內置MOSFET效率高達94％；內置頻率補償；內置軟啟動、熱關斷及電流限制功能。該模塊集成度高、效率高、成本低。

　　將其配置成升壓穩(wěn)壓模塊，輸入電壓接在芯片1腳和4腳，并在兩端并連一個電解電容消除噪聲。

　　升壓模塊特點：①采用常規(guī)拓撲ＢOOST全集成恒壓輸出方案，外圍器件少，系統(tǒng)成本低；②內置電位器可調輸入輸出關系，高于設定輸出電壓時，輸出等于輸入。

　　2．3、降壓電路設計

　　XL4001是一個150KHｚ固定頻率脈寬調制（降壓型）DC／DC轉換器，具有2A負載驅動能力并且效率高、低紋波和極好的線性，負載調節(jié)能力好?？烧{輸出使用簡單。芯片引腳描述見表2。脈寬調制控制電路可以線性調節(jié)占空比0～100％，具有使能功能，內置過流和短路保護功能；具有恒壓CV、恒流CC、過壓保護OVP功能。恒壓CC模式是通過電阻RCS測量二極管電流并實現(xiàn)電流模式控制。在正常工作情況，二極管電流由0．155V的PWM控制器內部參考電壓除以RCS電阻值所決定。即I＝0．155／RCS，因為RCS兩端的電壓在正常工作條件下將一直保持在0．155V。恒壓CV模式是通過電阻R3和R4測量輸出電壓并實現(xiàn)電壓模式控制，一般CV設置為用戶所需要的電池的充滿電狀態(tài)下的電位。一旦電池的電位超過設定的電位，芯片停止輸出。

　　該降壓電路采用圖3的連接方式，那么輸出電壓為：U3＝1．235（1＋R3／R4）。

　　降壓模塊特點：

　?、儆糜诒銛y充電的全集成方案，系統(tǒng)成本低，可靠性高；

　　②IC內部CC、CV都是通過控制PWM實現(xiàn)的，因此輸出電壓、輸出電流、輸出過壓保護的精度更高，響應速度很快；

　?、踃L4001為40V高壓雙極工藝制造，更加耐用，可應用于多種環(huán)境。

　　2．4、恒壓充電電路設計

　　模塊原理圖見圖4，將其配置為對單串鋰電池進行恒流／恒壓充電的充電電路。采用CN306B芯片電路，其引腳描述見表3。充電電流通過RIR調節(jié)，當輸入電壓掉電時，芯片自動進入電池的電流消耗小于3μA的低功耗睡眠模式。紅色LED為通電指示燈，綠色LED為使用指示燈。

　　2．5、電池選擇

　　考慮到電池重量及電量存儲量，選用的是4節(jié)鋰電池并聯(lián)，這樣可以使電池輸出電壓控制在3．7V，并且得到相對較大的電流。適配CN306B充電電路使用恒壓充電模式。其中鋰電池具有易攜帶、比能量高、循環(huán)壽命長、充電功率范圍寬和倍率放電性能好等優(yōu)點。而蓄電池比能量低，循環(huán)壽命較短，自放電，過充電時有大量的氣體產生，因此選用鋰電池。

　　3、結論

　　該應急發(fā)電裝置，以TSUKASA發(fā)電機為載體，將便捷的人力轉換為電力。所產生的不穩(wěn)定的電流電壓，再通過XL6009升壓模塊和CN306B穩(wěn)壓模塊等，將其轉換為穩(wěn)定的、安全的、可以直接供給用電器的穩(wěn)定的5V電壓。繼而再通過一個逆變器設備，可以輸出220V交流電。