一个超低功耗物联网产品的太阳能充电电路

ID:668004 · 发表于 2026-7-1 19:11

现在假设正常光照条件下；开始MCU未启动，Contorl——IO没有输出，电平被下拉电阻R4拉到低电平，则三极管Q3断开，则此时PMOS管Q1的G极和S极电压都是太阳能电池输出的电压；VGS=0，则PMOS断开；则超级电容EECF5R5U155没有来自从Q2的结电容的输入电压，未充电；

此时，太阳能电池单独给钽电容C3供电，钽电容电压/充电上升很快，达到了MCU启动需要的电压给VDD，则MCU启动；这样设计满足了我们想要MCU快速启动的需求(超级电容充电一般从0开始要几分钟) MCU启动后，程序会让Contorl——IO输出高电平，则三极管Q3导通，则此时PMOS管Q1的G极连接到地，G极电压为0；而S极电压为太阳能电池输出的电压，VGS-5.5V，PMOS管Q1导通；则超级电容EECF5R5U155收到来自从Q2的结电容的电压充电，且他不会影响钽电容的电压，因为现在他的电压比钽电容电压小，二级管D2截止(如果不设置Q3电路的话，相当于启动时，超级电容和钽电容一起充电，超级电容会把钽电容的电量拉低，太阳能电池板的“能量”也有一部分给与了超级电容，使得钽电容得不到足够的“能量”)

D1上方点的电位是由超级电容控制的，理论是超级电容电压+0.1V(肖特基二级管)，当该店电位达到5.4V时，电压检测器BD4954就会输出一个高电平5.4V，则PMOS管Q1断开，超级电容停止充电；(过压保护)现在光照停止了，我们不想超级电容过度的放电，因为电压降到负载需要的最低电压以下，负载电路已经不能正常工作了，但是超级电容其实连接着负载电路，还是会一直消耗电量。

感觉这个太阳能板充电电路是不是太磨叽太麻烦了有必要那么麻烦吗？好多反馈控制电路。有没有更精简的，同时可以符合这个电路性能的？

ID:342822 · 发表于 2026-7-1 20:55

将电路图及楼主的分析传给deepseek，其评价如下：

这位网友的分析非常深入，大部分物理逻辑是正确的，特别是对“快速启动”和“主从电容切换”的理解非常到位。

不过，作为电路设计评价，我必须指出他的分析中存在几个关键的物理错误和电路常识误区。针对他最后提出的“太磨叽、太麻烦”的疑问，我的回答是：确实比较麻烦，而且部分设计有画蛇添足之嫌。有更精简的方案。

下面我分三部分为您详细评价和解答。

第一部分：对网友分析的纠错与评价
1. ❌ 致命错误：关于 Q2 的结电容

网友原话：“超级电容EECF5R5U155收到来自从Q2的结电容的电压充电”

评价：这是完全错误的。
MOS管（如 Q2 BSS84）的寄生结电容（
C
o
s
s
C
oss

）只有几十皮法（pF）级别，而超级电容（EECF5R5U155）是 1.5法拉 (F)。两者相差
10
11
10
11
倍。超级电容绝对不可能靠 MOSFET 的“结电容”来充电。Q2 是作为开关管导通的，当 Q1 导通后，电流通过 Q2 流向超级电容，是整个太阳能板在给超级电容充电。

2. ✅ 正确的部分：逻辑切换与 D2 防倒灌

网友原话：“超级电容会把钽电容的电量拉低...二级管D2截止”

评价：这部分的逻辑是对的。 C3 (钽电容) 和 C1 (超级电容) 是并联关系。如果没有 D2，当 Q1 导通瞬间，C1 会像短路一样把 C3 的电压拉低，导致 MCU 复位。D2 的隔离作用在这个“快速启动”逻辑中是非常关键的。

3. ⚠️ 基本常识错误：关于 BD4954G

网友原话：“当该点电位达到5.4V时，电压检测器BD4954就会输出一个高电平5.4V，则PMOS管Q1断开”

评价：BD4954G 是开漏输出（Open-Drain），不是推挽输出。

BD4954G 的 OUT 引脚内部是一个 N-MOS 管。当监测电压超过阈值时，内部 MOS 管导通，将 OUT 引脚拉低到地（0V）。

因为它是开漏，所以它绝对不可能输出一个“5.4V高电平”来驱动栅极。

要让它关断 Q1，必须依赖外部上拉电阻（图中的 R1, 10MΩ）。实际逻辑是：U1 监测到 5.4V，OUT 拉低 -> 拉低 Q1 的栅极 -> 导通 Q1 (错误) ？这里就有矛盾了。

4. 💡 核心电路硬伤（这位网友和设计者都没注意到的极大隐患）：
根据图中 U1 (BD4954G) 和 Q1 (BSS84) 的连接：

当 U1 监测到过压时，它是将 OUT 引脚拉低到地。

Q1 是 P沟道 MOSFET，栅极电压越低，它导通得越彻底。

结论：如果按图设计，过压保护不仅不会关断充电，反而会强制让 PMOS 完全导通，导致加速损坏！这里的设计逻辑是反的。正确的做法应该是用 U1 驱动一个 NPN三极管去拉高 PMOS 的栅极，或者使用 P-MOS 驱动芯片。

第二部分：针对“这个电路太磨叽、太麻烦”的回应
这个电路设计确实存在“典型的堆叠式复杂化”问题，为了满足几个简单的功能（启动、防过放、防过充），用了 4 个 MOS/三极管和一堆外围阻容。

如果按照同样的性能要求，完全可以用更精简的方案替代。目前的设计主要冗余在以下几点：

Q1 和 Q3 可以合并或取消：既然有 MCU，直接让 MCU 的一个 GPIO 去控制 Q2 的开关即可，不需要中间的 Q1 和 Q3 进行两级电压转换。

U1 过压保护可以省略或整合：既然 MCU 启动后自带 ADC，完全可以用 MCU 的 ADC 引脚分压采样超级电容的电压。当检测到 5.4V 时，MCU 直接拉低 GPIO 关闭 Q2 即可，不需要外置 BD4954 芯片（能省一颗芯片和若干电阻）。

第三部分：推荐更精简、更符合性能的替代方案
想要同样具备【快速启动】、【超级电容充电】、【过压保护】，您可以采用以下简化版 2 级方案：

方案 A：软件主导型（最精简，适合有 MCU 的场景）
硬件只需要：

太阳能板 + 1个防反接肖特基二极管（正向串联）。

1个 PMOS管 (Q2) 控制超级电容。

1个 1M~10M 电阻将 PMOS 栅极上拉到太阳能正极（默认关闭）。

MCU 的一个 GPIO 直接驱动 PMOS 栅极（中间串个小电阻，加个三极管或电平转换即可）。

VDD 钽电容 (C3) 直接连太阳能板。注意：这里必须加一颗理想二极管（如 LTC4412）或低VF肖特基二极管 (D2) 隔离 C3 和超级电容，防止超级电容抽干 C3。

工作逻辑：

黑启动：太阳能板先给 C3 充电 -> MCU 上电唤醒 -> MCU 通过自带 ADC 检测 C3 电压。

切入大电容：条件满足后，MCU 拉低 GPIO -> 导通 PMOS -> 超级电容开始充电。

过压保护： MCU 用 ADC 检测超级电容电压。达到 5.4V 时，MCU 拉高 GPIO -> 关闭 PMOS。

过放保护：光照消失，MCU 检测到太阳能或超级电容电量低时，主动关闭 PMOS 或进入深度休眠，切断超级电容向负载供电。

方案 B：纯硬件低成本型（如果 MCU 资源紧张）
利用专用 PMOS 负载开关芯片，或 DC-DC 升压（Boost）芯片。
很多专用太阳能充电 IC（如 TP4056 的外围极小电路，或者 BQ25504 这种超低功耗能量采集 IC）自带 MPPT 和过压保护，所有功能集成在一颗 3x3mm 的芯片里，外围只需要 2-3 个电容和 1 个电感。

总结建议：
原图的设计者有很好的“系统思维（考虑了黑启动）”，但硬件实现手法过于老旧且存在逻辑反相隐患。如果这是您的项目，建议移除 U1 过压检测芯片，将采样改到 MCU 内部 ADC，然后精简掉 Q1 和 Q3 的复杂级联，整个电路可以缩小一半，同时可靠性会大幅提升。

ID:88256 · 发表于 2026-7-1 21:22

这个电路没有你说的那么不堪吧、U1控制着C1充电不至过充，C1被IO口控制着对CPU供电（有阳光时不会对外放电，只有没太阳时才对外放电），当VDD的电压维持不了单片机运行时，IO口输出低电平，C1也不会对外放电了。C1是超级电容不是锂电池，不怕电放到空，充电也不需要人工介入，且充电也不影响单片机启动运行，还有哪里不满意的？

ID:668004 · 发表于 2026-7-2 15:58

taotie 发表于 2026-7-1 20:55
将电路图及楼主的分析传给deepseek，其评价如下：

这位网友的分析非常深入，大部分物理逻辑是正确的，特 ...

你是不是复制豆包的

ID:668004 · 发表于 2026-7-2 15:59

hhdsdy 发表于 2026-7-1 21:22
这个电路没有你说的那么不堪吧、U1控制着C1充电不至过充，C1被IO口控制着对CPU供电（有阳光时不会对外放电 ...

有没有更简单的

ID:88256 · 发表于 2026-7-2 22:32

QWE4562012 发表于 2026-7-2 15:58
你是不是复制豆包的

层主第一句话就说是问deepseek了，和豆包有什么关系？

AI就是AI，很多地方分析不到位甚至是错误，我还没注意到你分析的“超级电容EECF5R5U155收到来自从Q2的结电容的电压充电”，超级电容的充电是靠Q2的体二极管，这个AI没有提到。
AI说的“BD4954G 是开漏输出”是错误的，48系列的确实是开漏输出，而49系列的是推挽输出，所以后面的一些分析都是错误的；另外，AI建议用单片机的ADC进行判断，我倒是觉得用硬件更可靠。
电路设计我不行，提供不了更精简的电路，你求助坛友们吧。

另外，这个电路是哪里来的，Q3两个没有Q4。你是想改做商品应用所以要降低成本吗？这个电路我倒是觉得可以接受，更精简的考虑把两个MOS管极性换一下试试，但要是自己没有这个能力，还是不要改动了。

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