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一、方案概述

戶外存儲(chǔ)電源，也稱為便攜式交直流電源，是一種內(nèi)置鋰離子電池、自儲(chǔ)電能的多功能電源設(shè)備。它具有重量輕、容量大、功率高、壽命長、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適合戶外活動(dòng)使用。戶外電源配備了多個(gè)USB接口，可以滿足數(shù)碼產(chǎn)品的充電需求，同時(shí)也可以輸出直流電、交流電以及點(diǎn)煙器等常用電源接口，為筆記本電腦、無人機(jī)、攝影燈、投影儀、電飯煲、電風(fēng)扇、水壺、汽車等設(shè)備供電。

在戶外活動(dòng)中，如露營、攝影、探險(xiǎn)等，戶外電源可以為各種設(shè)備提供電力支持，確?；顒?dòng)順利進(jìn)行。例如，它可以為野營燈供電，為智能手機(jī)充電以進(jìn)行導(dǎo)航，甚至運(yùn)行迷你冰箱以保持飲料涼爽。此外，戶外電源在應(yīng)急情況下也非常有用，如自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，可以作為臨時(shí)電源，為家庭提供必要的電力支持。

二、功能定義及性能指標(biāo)

l 容量：戶外電源的容量通常以瓦時(shí)（Wh）為單位，決定了電源能夠儲(chǔ)存的電能總量。容量越大，電源能夠供電的時(shí)間越長。

l 輸出功率：輸出功率決定戶外電源的實(shí)際帶載能力，以瓦特（W）為單位，如1000W的戶外電源可以負(fù)載1000W以內(nèi)的各種用電設(shè)備。

l 交流輸出功能：可以輸出交流220V或者100/110交流電，適用于不同國家的市電電壓標(biāo)準(zhǔn)。

l 直流輸出功能：能夠輸出常規(guī)48V、24V、19V、12V或5V直流輸出，滿足不同設(shè)備的充電需求。

l 放電模式：針對(duì)不同的快充協(xié)議提供不同的快充接口。

l 充電方式：戶外電源可以通過市電、太陽能板、車載充電器等多種方式充電。

l 保護(hù)功能：戶外電源應(yīng)具備過充、過放、短路、過熱等保護(hù)功能，以確保使用安全。

l 轉(zhuǎn)換效率：指電源將電能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí)的效率，通常以百分比表示。高轉(zhuǎn)換效率意味著電源在轉(zhuǎn)換過程中損耗的電能較少。

l 接口類型和數(shù)量：戶外電源應(yīng)提供多種接口，如USB、Type-C、DC、AC等，以滿足不同設(shè)備的充電需求。

三、戶外電源的原理

戶外電源，又稱為便攜式交直流電源，是一種多功能的儲(chǔ)能設(shè)備。它的核心組件包括鋰離子電池、逆變器、充電電路和控制電路。戶外電源的工作原理主要基于儲(chǔ)能和逆變技術(shù)。在充電時(shí)，外部電源通過充電管理模塊將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，存儲(chǔ)在鋰電池中。當(dāng)需要供電時(shí)，鋰電池中的直流電進(jìn)入逆變電路，逆變電路利用電子元件（如IGBT）將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，工作頻率通常較高。之后，通過濾波電路去除高頻雜波，輸出較為穩(wěn)定的交流電。

戶外電源在充電方式上具有多樣性，可以通過市電、太陽能板或車載充電器進(jìn)行充電。它提供多種輸出接口，包括AC插座、USB端口、DC端口等，以適應(yīng)不同設(shè)備的充電需求。此外，戶外電源還具備多重保護(hù)功能，包括過充、過放、短路和過熱保護(hù)，確保使用過程中的安全性。高轉(zhuǎn)換效率和便攜設(shè)計(jì)使其成為戶外活動(dòng)、應(yīng)急備用和戶外工作的理想電源解決方案。

圖為某著名戶外電源

四、硬件設(shè)計(jì)

戶外電源主要分為如圖幾個(gè)模塊，其中電池模組主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存能量以及給內(nèi)部電路供電，電池管理系統(tǒng)主要采集電流/電壓等信息對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，充放電管理主要是控制電池組的充電/放電，電量顯示主要是與用戶進(jìn)行交互。本部分主要介紹以下相關(guān)電路：電流限制電路，RS485通信電路，大電流驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)放大電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，5V LDO供電電路。

1. 電流限制電路

該電路以四路電壓比較器 XBLW-LM339為核心構(gòu)建的信號(hào)處理鏈路。主要用于監(jiān)控和限制輸入電流，以保護(hù)電路不受過高電流的影響。電路使用了一個(gè)XBLW-LM339電壓比較器，通過電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置電壓限制閾值。電壓比較器比較輸入電壓（前端已將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)）與參考電壓（+3V和-3V Vref），從而實(shí)現(xiàn)電流限制。

當(dāng)輸入電壓超過預(yù)設(shè)限制時(shí)，電壓比較器輸出變化，驅(qū)動(dòng)肖特基二極管（BAV70）導(dǎo)通，電阻R154和電容C115與二極管協(xié)同工作。此時(shí)，INV.Lim引腳輸出低電平信號(hào)，通知其他電路或控制系統(tǒng)采取相應(yīng)措施，如關(guān)閉輸入。

電路中還包括濾波電容（C106和C111），用于平滑電壓波動(dòng)，減少噪聲。整個(gè)電路設(shè)計(jì)旨在確保輸入電流維持在安全范圍內(nèi)，防止過流對(duì)電路造成損害，同時(shí)通過INV.Lim信號(hào)提供狀態(tài)反饋，XBLW-LM339的輸出電壓兼容TTL、CMOS邏輯系統(tǒng)，其低輸入偏置電流低至25 nA，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2. RS485通信電路

該電路是一個(gè)RS-485通信接口電路，主要用于實(shí)現(xiàn)長距離和噪聲環(huán)境下的多點(diǎn)數(shù)據(jù)串行通信。電路核心是XBLW-SN65176 RS-485高速差分收發(fā)器（U6），它負(fù)責(zé)將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-485差分信號(hào)。為了保護(hù)電路，設(shè)計(jì)中包含了光耦合器（OP1和OP2）和瞬態(tài)電壓抑制二極管（ZD1、ZD2和ZD3），以隔離接收和發(fā)送電路，并防止電壓尖峰。

電阻（R5）和偏置電阻（R22和R13）來匹配傳輸線特性阻抗，減少信號(hào)反射，并在總線上沒有活動(dòng)驅(qū)動(dòng)器時(shí)穩(wěn)定電平。電源濾波電容（C24和C10）和信號(hào)耦合電容（C14）用于平滑電源電壓和提供交流信號(hào)通路。

此外，電路設(shè)計(jì)中還包含了一些限流電阻（如R16）和保護(hù)二極管，以確保電路的安全性和穩(wěn)定性。對(duì)于總線爭用或?qū)е略O(shè)備內(nèi)功率損耗過大的情況XBLW-SN65176增加了熱關(guān)斷電路處理，從而提供了一個(gè)可靠、穩(wěn)定的RS-485通信接口。

3. 大電流驅(qū)動(dòng)電路

該電路是一個(gè)基于XBLW-ULN2003達(dá)林頓晶體管芯片的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)放大電路，主要用于控制直流電機(jī)的速度和功率調(diào)節(jié)。電路中使用了1個(gè)XBLW-ULN2003芯片，單個(gè)芯片提供最大7個(gè)達(dá)林頓對(duì)，用于放大來自MCU的PWM信號(hào)。

XBLW-ULN2003每個(gè)達(dá)林頓對(duì)的輸入端接收PWM信號(hào)，每級(jí)輸入分別接了10K下拉電阻（如R157、R156等）這些電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行鉗位以及保護(hù)芯片。輸出端連接到電機(jī)，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來控制電機(jī)。電路中的DCDCPWM+、DCDCPWM-、INVPWM+、INVPWM-等信號(hào)是放大后的PWM信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

電路還包括+12V電源供電和接地連接，確保XBLW-ULN2003芯片正常工作。C62濾波電容用于平滑電源電壓，減少噪聲。采用的XBLW-ULN2003單通道達(dá)林頓管集電極最大可以輸出500mA電流，最大可承受600mA電流，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的電機(jī)控制。

4. 信號(hào)放大電路

圖1負(fù)載電壓信號(hào)放大

圖2溫度信號(hào)放大

該電路是一個(gè)信號(hào)放大電路，其作用主要是將采集的負(fù)載電壓、溫度等信號(hào)通過XBLW-LM358雙路運(yùn)算放大器放大，再通過MCU進(jìn)行AD采集從而獲取相應(yīng)的電壓/溫度值。核心組件是XBLW-LM358雙路運(yùn)算放大器（U10）。

通過分壓電阻R50和R46接入運(yùn)算放大器的反相（引腳2）和非反相（引腳3）輸入端。運(yùn)算放大器的增益由反饋電阻R47和輸入電阻R46、R50的比值決定，電路中的+3V Vref通過R55和C49提供穩(wěn)定的參考電壓，濾波電容C48、C46和C88用于平滑電源電壓和濾除輸入信號(hào)中的高頻噪聲，確保運(yùn)算放大器接收到的電壓信號(hào)穩(wěn)定。電源引腳（引腳4和引腳8）連接到+12V電源，為運(yùn)算放大器提供工作電壓。保護(hù)二極管D5（BAT54S）用于防止反向電壓損壞運(yùn)算放大器的輸出。

采用XBLW-LM358高增益運(yùn)算放大器能夠實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)載電壓及溫度并及時(shí)響應(yīng)過壓/過溫度情況，保護(hù)電路安全。通過合理設(shè)計(jì)電阻和電容的參數(shù)，可以調(diào)整電路的靈敏度和響應(yīng)速度，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

5. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

該電路是一個(gè)I2C接口的EEPROM存儲(chǔ)器XBLW 24C02，最大可提供2K存儲(chǔ)。電路通過A0、A1、A2引腳設(shè)置器件地址，VCC和GND提供電源，WP引腳用于寫保護(hù)。SCL和SDA是I2C總線的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線，各通過一個(gè)10kΩ的上拉電阻連接到+3.3V電源，確保線路在空閑時(shí)保持高電平。C47電容用于電源去耦，穩(wěn)定電壓。XBLW 24C02可在-40°C至85°C范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)保存。

6. 5V LDO供電電路

該電路圖是一個(gè)5V線性穩(wěn)壓電源供電電路，設(shè)計(jì)用于將輸入12V電壓降至5V。電路通過XBLW-L7805穩(wěn)壓器穩(wěn)定降至5V，輸出濾波電容（C2、C53）用于平滑電壓，減少電源噪聲，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。整個(gè)電路通過接地連接確保穩(wěn)定性和減少噪聲。提高供電質(zhì)量為后級(jí)電路提供穩(wěn)定供電。XBLW-L78XX系列最高輸出電流可達(dá)1.5A，具有熱過載和短路保護(hù)功能。

五、邏輯框圖

六、本方案重要器件推薦

七、客戶定制方案選型

芯伯樂XBLW產(chǎn)品專注于消費(fèi)類和工業(yè)類市場。主要研發(fā)方向?yàn)樾盘?hào)鏈及電源管理，產(chǎn)品有運(yùn)算放大器、時(shí)鐘與計(jì)時(shí)芯片、接口RS485/RS232、線性穩(wěn)壓器、AC-DC控制器、DC-DC開關(guān)控制器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、MOS管、達(dá)林頓、邏輯電路及EEPROM存儲(chǔ)器等系列。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、機(jī)器人、電源、計(jì)算機(jī)、儀器儀表、玩具、家電、通訊設(shè)備、照明應(yīng)用、汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域。

   芯伯樂XBLW是芯伯樂電子的自主品牌，《芯伯樂》，智造好芯，伯樂自來，致力成為客戶首選的半導(dǎo)體品牌。