一、方案概述

文章前言

戶外存儲電源，也稱為便攜式交直流電源，是一種內置鋰離子電池、自儲電能的多功能電源設備。它具有重量輕、容量大、功率高、壽命長、穩定性強的特點，非常適合戶外活動使用。戶外電源配備了多個USB接口，可以滿足數碼產品的充電需求，同時也可以輸出直流電、交流電以及點煙器等常用電源接口，為筆記本電腦、無人機、攝影燈、投影儀、電飯煲、電風扇、水壺、汽車等設備供電。

在戶外活動中，如露營、攝影、探險等，戶外電源可以為各種設備提供電力支持，確保活動順利進行。例如，它可以為野營燈供電，為智能手機充電以進行導航，甚至運行迷你冰箱以保持飲料涼爽。此外，戶外電源在應急情況下也非常有用，如自然災害發生時，可以作為臨時電源，為家庭提供必要的電力支持。

二、功能定義及性能指標

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

輸出功率：輸出功率決定戶外電源的實際帶載能力，以瓦特（W）為單位，如1000W的戶外電源可以負載1000W以內的各種用電設備。

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準。

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

放電模式：針對不同的快充協議提供不同的快充接口。

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。

保護功能：戶外電源應具備過充、過放、短路、過熱等保護功能，以確保使用安全。

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

接口類型和數量：戶外電源應提供多種接口，如USB、Type-C、DC、AC等，以滿足不同設備的充電需求。

三、戶外電源的原理

戶外電源，又稱為便攜式交直流電源，是一種多功能的儲能設備。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能和逆變技術。在充電時，外部電源通過充電管理模塊將交流電轉換為直流電，存儲在鋰電池中。當需要供電時，鋰電池中的直流電進入逆變電路，逆變電路利用電子元件（如IGBT）將直流電轉換為交流電，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，以適應不同設備的充電需求。此外，戶外電源還具備多重保護功能，包括過充、過放、短路和過熱保護，確保使用過程中的安全性。高轉換效率和便攜設計使其成為戶外活動、應急備用和戶外工作的理想電源解決方案。

四、硬件設計

戶外電源主要分為如圖幾個模塊，其中電池模組主要負責儲存能量以及給內部電路供電，電池管理系統主要采集電流/電壓等信息對電路進行保護，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行交互。本部分主要介紹以下相關電路：電流限制電路，RS485通信電路，大電流驅動電路，信號放大電路，數據存儲電路，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為核心構建的信號處理鏈路。主要用于監控和限制輸入電流，以保護電路不受過高電流的影響。電路使用了一個XBLW-LM339電壓比較器，通過電阻網絡設置電壓限制閾值。電壓比較器比較輸入電壓（前端已將電流信號轉換成電壓信號）與參考電壓（+3V和-3V Vref），從而實現電流限制。

當輸入電壓超過預設限制時，電壓比較器輸出變化，驅動肖特基二極管（BAV70）導通，電阻R154和電容C115與二極管協同工作。此時，INV.Lim引腳輸出低電平信號，通知其他電路或控制系統采取相應措施，如關閉輸入。

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

2. RS485通信電路

該電路是一個RS-485通信接口電路，主要用于實現長距離和噪聲環境下的多點數據串行通信。電路核心是XBLW-SN65176 RS-485高速差分收發器（U6），它負責將TTL信號轉換為RS-485差分信號。為了保護電路，設計中包含了光耦合器（OP1和OP2）和瞬態電壓抑制二極管（ZD1、ZD2和ZD3），以隔離接收和發送電路，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，減少信號反射，并在總線上沒有活動驅動器時穩定電平。電源濾波電容（C24和C10）和信號耦合電容（C14）用于平滑電源電壓和提供交流信號通路。

此外，電路設計中還包含了一些限流電阻（如R16）和保護二極管，以確保電路的安全性和穩定性。對于總線爭用或導致設備內功率損耗過大的情況XBLW-SN65176增加了熱關斷電路處理，從而提供了一個可靠、穩定的RS-485通信接口。

3. 大電流驅動電路

該電路是一個基于XBLW-ULN2003達林頓晶體管芯片的脈寬調制（PWM）信號放大電路，主要用于控制直流電機的速度和功率調節。電路中使用了1個XBLW-ULN2003芯片，單個芯片提供最大7個達林頓對，用于放大來自MCU的PWM信號。

XBLW-ULN2003每個達林頓對的輸入端接收PWM信號，每級輸入分別接了10K下拉電阻（如R157、R156等）這些電阻對信號進行鉗位以及保護芯片。輸出端連接到電機，通過調節PWM信號的占空比來控制電機。電路中的DCDCPWM+、DCDCPWM-、INVPWM+、INVPWM-等信號是放大后的PWM信號，用于驅動電機。

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，能夠實現高效、穩定的電機控制。

4. 信號放大電路

圖①負載電壓信號放大

圖②溫度信號放大

該電路是一個信號放大電路，其作用主要是將采集的負載電壓、溫度等信號通過XBLW-LM358雙路運算放大器放大，再通過MCU進行AD采集從而獲取相應的電壓/溫度值。核心組件是XBLW-LM358雙路運算放大器（U10）。

通過分壓電阻R50和R46接入運算放大器的反相（引腳2）和非反相（引腳3）輸入端。運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中的高頻噪聲，確保運算放大器接收到的電壓信號穩定。電源引腳（引腳4和引腳8）連接到+12V電源，為運算放大器提供工作電壓。保護二極管D5（BAT54S）用于防止反向電壓損壞運算放大器的輸出。

采用XBLW-LM358高增益運算放大器能夠實時監控負載電壓及溫度并及時響應過壓/過溫度情況，保護電路安全。通過合理設計電阻和電容的參數，可以調整電路的靈敏度和響應速度，以滿足不同應用場景的需求。

5. 數據存儲電路

該電路是一個I2C接口的EEPROM存儲器XBLW 24C02，最大可提供2K存儲。電路通過A0、A1、A2引腳設置器件地址，VCC和GND提供電源，WP引腳用于寫保護。SCL和SDA是I2C總線的時鐘和數據線，各通過一個10kΩ的上拉電阻連接到+3.3V電源，確保線路在空閑時保持高電平。C47電容用于電源去耦，穩定電壓。XBLW 24C02可在-40°C至+85°C范圍內穩定工作，從而實現穩定的數據保存。

6. 5V LDO供電電路

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

五、邏輯框圖

六、本方案重要器件推薦