畢業(yè)論文--簡易的太陽能手機充電器

1、<p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　簡易的太陽能手機充電器</p><p>　　提交日期：2012年5月</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要.........................................

2、..........................................................................................3</p><p>　　1 前 言.....................................................................................................

3、.........................3</p><p>　　2外觀及參數(shù)介紹....................................................................................................... 4</p><p>　　2.1 USB標準充電接口4</p><p&

4、gt;　　2.2 市場上的太陽能手機充電器外形及參數(shù)6</p><p>　　2.3 設(shè)計方案參數(shù)8</p><p>　　3太陽能手機充電器電路分析9</p><p>　　3.1 太陽能電源板充電電路10</p><p>　　3.2 鋰電池電源升壓電路10</p><p>　　3.3 鋰電池

5、應急儲能電路16</p><p>　　3.4 鋰電池電壓監(jiān)控指示電路17</p><p><b>　　結(jié)束語19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p><b>　　致 謝21</b></p><p>

6、　　簡易的太陽能手機充電器 </p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　手機越來越多的普及到世界范圍，而使用手機的電池儲能總是十分有限，幾乎所有人都有過這樣的經(jīng)歷：外出時手機電池突然沒有電了，因充電器不在身邊或找不到可以充電的地方，影響了手機的正常使用，尤其是對于經(jīng)常外出的工作人員來說，在電池耗盡的時候為通信帶來了極大的麻煩。為了解決這一問

7、題，本文介紹一種太陽能手機充電器，它使用太陽能電池板，經(jīng)電路進行直流DC-DC電壓變換后給手機電池充電。光能是無處不在的，只要有光就有能量，可以隨時隨地給手機、相機等的電池充電，大大的方便了我們的外出生活，也不</p><p>　　用為手機沒電而擔心了[8]。</p><p>　　太陽能是取之不盡的可再生資源，也是清潔資源不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染，相比其他的能源來說太陽能也是我們比較方便實用的

8、能源，用太陽能電池組件為基礎(chǔ)做的手機充電器能直接完成太陽能輻射能到電能的轉(zhuǎn)換，制作成本低[8]。</p><p>　　本設(shè)計主要是利用光電效應現(xiàn)象利用將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，把電能儲存在電池中，再經(jīng)過開關(guān)穩(wěn)壓電路給手機充電，實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化成手機電能設(shè)備[8]。</p><p>　　關(guān)鍵詞：手機、電池、充電器、太陽能、光電效應現(xiàn)象</p><p>　　1 前言

9、 </p><p>　　隨著環(huán)境污染、生態(tài)破壞及資源枯竭的日趨嚴重，近年來世界各國競相實施了可持續(xù)發(fā)展的能源政策，其中利用太陽提供能量的光伏發(fā)電最受矚目.光伏發(fā)電因其具有安全可靠、無污染、無需消耗燃料、無需機械轉(zhuǎn)動部件、故障率低、維護方便等獨特優(yōu)點，正受到各國的普遍重視[2]。</p><p>　　迫于全球性日益嚴重的資源短缺和環(huán)境污染，使得光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅僅是一個經(jīng)濟問題，更

10、是一個環(huán)境保護和能源替代的問題.目前光伏電池主要應用在并網(wǎng)和未連網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域，而消費類產(chǎn)品的應用實例非常少，如目前還沒有真正有效的利用太陽能充電的手機電池.因此太陽能作為一種沒有任何污染的、易取的綠色能源若能應用到消費類產(chǎn)品中，對于改善地球的整體的能源狀況和環(huán)境有著非常重要的意義[2]。</p><p>　　太陽能產(chǎn)業(yè)已成為當今世界上發(fā)展最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，最近十年的平均增長速度為33％，最近五年的平均

11、增長速度為43％，而2004年則比2003年增長了61.2％。從全球范圍來看，太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展得最快的國家主要是德國和日本，而我國目前太陽能利用正以每年20％到30％的速度增長。德國聯(lián)邦統(tǒng)計局公布的最新數(shù)字顯示，太陽能產(chǎn)品在德國的市場占有率已達到39%。日本的太陽能產(chǎn)業(yè)已有相當規(guī)模，太陽能產(chǎn)品在日本的市場占有率也已經(jīng)達到30%[2]。</p><p>　　2 太陽能充電器的外觀及參數(shù)介紹</p>&l

12、t;p>　　2.1 USB標準充電接口 </p><p>　　歐美已采用microUSB作為手機充電器標準如圖2-1所示，從2011年開始USB將作為手機充電器生產(chǎn)的標準，目前歐盟委員會已經(jīng)批準了14家領(lǐng)先手機廠商達成的一項協(xié)議，同意采用microUSB手機充電器標準，這應該會在未來使充電器可在一系列廣泛的設(shè)備中兼容使用。通用的充電器將讓消費者的生活變得更加輕松，還能減少浪費和讓企業(yè)從中受益，

13、這確實是一種雙贏的作法。歐盟委員會負責產(chǎn)業(yè)與企業(yè)事務的委員安東尼奧·塔加尼(Antonio Tajani)發(fā)表聲明稱：“我對歐盟標準化機構(gòu)已經(jīng)滿足了我們有關(guān)開發(fā)通用手機充電器所必需的技術(shù)標準的請求感到十分高興，現(xiàn)在輪到手機行業(yè)來證明其出 售用于這種新充電器的手機的承諾[3]。</p><p>　　有關(guān)采用通用充電器標準的努力始于2009年，其目的不僅是讓消費者生活變得更加輕松，同時也是為了減少浪費，原因

14、是通用標準將使手機用戶在購買新手機后不需要再去尋找足夠適配的充電器[3]。 支持采用這種新標準的14家公司分別是蘋果、Emblaze Mobile、華為、LGE、摩托羅拉移動、NEC、諾基亞、高通、RIM、三星、索尼愛立信、TCT Mobile、德州儀器和Atmel。首批使用這種新標準生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)在2011年上半年在歐洲上市[3]。</p><p>　　圖2－1 microUSB接口 </

15、p><p>　　表1-1 microUSB接口定義</p><p>　　2.2 市場上的太陽能手機充電器外形及參數(shù) 特征[13]</p><p>　　2.3 市場產(chǎn)品方案及參數(shù) </p><p>　　造型美觀華貴，超薄設(shè)計，款式新穎，可有多種色彩選擇，小巧玲瓏，攜帶方便，應用綠色環(huán)保能源之先驅(qū)，時尚

16、高雅，送禮佳品。適用于多種款式手機、MP3、MP4、PDA、數(shù)碼相機充電[4]。</p><p>　　產(chǎn)品規(guī)格：[4]1、使用高轉(zhuǎn)換效率單晶硅和多晶硅片，太陽能轉(zhuǎn)換效率高達30%以上；2、太陽能電池板規(guī)格：5.5V/80mA；3、充電器內(nèi)置高容量可充電電池：800mAH；4、輸出電壓：5.5V；5、輸出電流：1000mA；6、充電器給手機充電時間：約60分鐘（不同品牌和型號的手機有少許差別）；7、太

17、陽能給充電器內(nèi)置電池充電時間：10～15小時；8、用電腦或交流適配器給充電器內(nèi)置電池充電時間：5小時；9、外形尺寸：10 x 6.8 x0.8cm。</p><p>　　3 太陽能手機充電器電路及分析</p><p>　　圖3-1是手機充電器的電路，其結(jié)構(gòu)簡單、模塊清晰、制作成本低等。結(jié)合了《電路基礎(chǔ)》、《模擬電子》、《開關(guān)電源》的相關(guān)知識，下面內(nèi)容將分析電路。</p>

18、<p>　　圖3-1簡易的太陽能手機充電器充電電路</p><p>　　圖3-1 電路可以分為：太陽能電源板充電電路、鋰電池電源升壓電路、鋰電池應急儲能電路、鋰電池電壓監(jiān)控指示電路。下表是使用的元件列表，圖3-2是PCB 圖。</p><p>　　表 各電路所用的元件</p><p>　　圖3.2 太陽能充電器PCB板</p><p&g

19、t;　　太陽能電源板充電電路</p><p>　　圖3-3是太陽能電源板充電池電路，如下圖所示。</p><p>　　圖3-3 太陽能電源板充電池電路</p><p><b>　　電路分析：</b></p><p>　　太陽能電源板的功率很低，太陽能電源板跟電池連接充電的電路一定要簡單，否則會造成轉(zhuǎn)換效率很低，失去了太陽

20、能的意義。本電路選擇直接通過低壓降的肖特基整流2極管D401連接電池，這是最簡單的連接方式。太陽能電源板在空載時發(fā)電電壓有6V之高，但受發(fā)電功率的影響他提供的電流很小在33mA左右，D401直接連接太陽能電源板和鋰電池，33mA的電流流過D401對D401沒有構(gòu)成安全威脅，可以直接連接。</p><p>　　太陽能的平均輸出功率在200mW左右，D401的壓降在0.4V左右，不算鋰電池內(nèi)阻。則D401上的功耗是：

21、P=0.4V/（0.4V+3.7V）X0.2W=0.02W，在安全的范圍內(nèi)。</p><p>　　換效率的計算：n=有用功率/總功率=1-0.02W/0.2W=0.9</p><p>　　效率是不考慮電池內(nèi)阻的情況下計算得到的結(jié)果，電池內(nèi)部的“電能-化學能”轉(zhuǎn)換效率計算很復雜，也不是單單電學方面知識能解釋的，在這里就不再討論化學電池那方面的問題。</p><p>　

22、　3.2 鋰電池電源升壓電路</p><p>　　圖3.4鋰電池電源升壓電路</p><p>　　這是一個“Boost開關(guān)電感升壓電路”， 把3.7V升壓到5.1V。其的基本原理是</p><p>　　根據(jù)Boost升壓斬波結(jié)構(gòu)來進行升壓變換，下面討論一下Boost的變換原理。</p><p>　　圖3-5 Boost升壓斬波變換結(jié)構(gòu)圖

23、</p><p>　　已知： Ui是穩(wěn)定的直流電源、L是電感有儲能作用、S是開關(guān)管、 VD是整流2極</p><p>　　管、C是濾波電容、RL 是負載電阻。</p><p>　　圖3-7 開關(guān)S的PWM控制波形</p><p>　　從能量守恒角度分析Boost升壓斬波：</p><p>　　初始狀態(tài)前S斷開、L的電流

24、穩(wěn)定了Io=Ui-UVD/RL,消耗功率為： P=Ui.IL ;當S閉合時，IL沿著充電曲線上升，Ui輸出功率變大。S再次斷開，電流開始下降，但總是大于或等于I0，則輸出功率比S靜態(tài)時變大、負載不變的情況下則輸出電壓和電流都應該變大，這就是他的斬波升壓原理。</p><p>　　電流、電壓定律分析Boost升壓斬波過程：</p><p>　　初始狀態(tài)開關(guān)S斷開的時候，Ui通過L-VD-C/

25、/RL形成回路，穩(wěn)定時UC=Ui，L的初始電流大小I=Ui/RL。</p><p>　　開關(guān)S導通的時候Ui通過L-S形成回路， L被短路后沿著電感充電曲線從I=Ui/RL充電、由于S的開關(guān)頻率很高可以認為是線性充電的，則根據(jù)基爾霍夫電壓定律得：Ui=UL=L dI/dton （左正右負），則dI=Ui ton/L . VD反向截止，Ui不再向C提供能量，電容C上的能量通過RL 放電，電壓有所下降。這時Uc<

26、;Ui.</p><p>　　開關(guān)S斷開，Ui-L-VD-C//RL形成回路。存儲在L上的能量向C釋放，開始電流大小為I= Ui ton/L，然后沿著電感放電曲線從I+dI開始放電。當放電電流比RL上的耗電電流大2倍以上時（則dI>I），電容C的充電比耗電大，Uc電壓得到了升高。</p><p>　　附：內(nèi)置MOS管TP8350升壓芯片驅(qū)動大電流方案[11]</p>&

27、lt;p>　　下是南京拓微集成電路有限公司的TP8350示例方案，講述TP8350的使用方法和參數(shù)的選擇。</p><p>　　圖3.8 TP8350的示例電路</p><p>　　輸入電源為鋰電池（3.2v≤Vin≤4.2v）</p><p>　　1.驅(qū)動負載100mA≤Io≤500mA時</p><p>　　（1）TP8350：

28、</p><p>　　建議各器件參數(shù) L=110uH（內(nèi)阻<0.1ohm），Cin=47uF，Diode=1N5817\1N5818\1N5819，Cout為100uF電解電容和0.1uF陶瓷電容并聯(lián)。</p><p>　?。?）TP8356：</p><p>　　建議各器件參數(shù) L=330uH（內(nèi)阻<0.1ohm），Cin=47uF，Diode=1N5

29、817\1N5818\1N5819，Cout為300uF電解電容和0.1uF陶瓷電容并聯(lián)。</p><p>　　2．驅(qū)動負載Io<100mA時</p><p>　　TP8350、TP8356外圍器件參數(shù)參照TP83規(guī)格書中典型應用電路的參數(shù)。</p><p>　　二、輸入電源為兩節(jié)干電池（2.2v≤Vin≤3v）</p><p>　　

30、1．驅(qū)動負載100mA≤Io≤300mA時</p><p>　　TP8350、TP8356器件參數(shù)L=110uH（內(nèi)阻<0.1ohm），Cin=47uF，Diode=1N5817\1N5818\1N5819，Cout為100uF電解電容和0.1uF陶瓷電容并聯(lián)。</p><p>　　2．驅(qū)動負載Io<100mA時</p><p>　　TP8350、T

31、P8356外圍器件參數(shù)參照TP83規(guī)格書中典型應用電路的參數(shù)。</p><p><b>　　注意：</b></p><p>　　(1) 建議客戶參數(shù)的選取參照上述的情況，驅(qū)動大負載并輸入電源為鋰電池時，電感值不能小，否則芯片可能會產(chǎn)生過沖，輸出電壓值過高。</p><p>　　(2) 輸出電容的耐壓值必須>16V以上，耐壓過小電容可能會燒

32、；并且容值不能低于100uF，否則輸出電壓紋波太大，有可能出現(xiàn)過沖。容值越大，輸出電壓紋波越小。</p><p>　　(3) 應用中陶瓷電容0.1uF最好接上，并與芯片距離越小越好，連線越短越好。</p><p>　　(4) 外置驅(qū)動管芯片的外圍器件參數(shù)，無特別要求可參照TP83規(guī)格書中典型應用電路的參數(shù)。</p><p>　　TP8356測試數(shù)據(jù)，</p&g

33、t;<p>　　L=330uH（內(nèi)阻<0.1ohm），Cin=47uF，Cout為300uF電解電容和0.1uF陶瓷電容并聯(lián)。</p><p>　　若輸出電容換為100uF的電解電容，在同樣的輸出電阻下，輸出電壓會比接300uF電解電容時的電壓小200mV左右。所以驅(qū)動大負載下，輸出電容小，輸出電壓紋波大，則輸出電壓的平均值會低些。</p><p>　　圖3.9 從淘

34、寶網(wǎng)上買回來的元件</p><p><b>　　鋰電池應急儲能電路</b></p><p>　　下圖3-10是鋰電池的應急充電電路，在沒有太陽的時候也可以通過USB充</p><p>　　電器充電，其實他就是一個鏡像電流源電路。</p><p>　　圖3-10 鋰電池閑時儲能電路</p><p>

35、;<b>　　電路分析：</b></p><p>　　這是一個鏡像電流源充電電路，Q301和Q302 是兩個完全相同的三極管則β值相</p><p>　　等，發(fā)射極連在一起都是接地，基極也是連接在一起，則Ube1=Ube2，Ib1=Ib2. </p><p>　　Q302的集電極和基極相連，Q301集電極跟電池和D202串聯(lián)，5.3V充電電壓通

36、</p><p>　　過R301向Q302提供基極電流和集電極電流。由圖得Q302是工作在放大區(qū)，</p><p>　　Ic=(β+1)Ib.Q301集電極發(fā)射極電壓為：Uce1=5.3V-UD202-3.7V =1.1V所以</p><p>　　Q301工作在發(fā)大區(qū).電路還有充電自動停止功能。但缺點是效率低，小于50%。</p><p>　

37、　由結(jié)點電流法得：Ic2+Ib2+Ib1=5.3V-Ube1/R301 </p><p>　　(β+1)Ib2+Ib2+Ib1=5.3V-0.7V/R301</p><p>　　又知Ib1=Ib2 (β+3)Ib2=4.6V/R301</p><p>　　Ib1=Ib2=4.6V/[R301(β+3)]</p><p&g

38、t;　　又知Q301和Q302都工作在放大區(qū)則：</p><p>　　Ic1=Ic2=(β+1)Ib1</p><p>　　已知B>>1 則： Ic1=Ic2=4.6V/R301 求得IC1是對電池的充電電流</p><p>　　查看資料鋰電池的充電電流應該是在200mA左右，則令I(lǐng)c1=Ic2=200mA</p><p>

39、　　綜合上述估計得： R301=4.6V/Ic1=4.6V/200mA=23Ω</p><p><b>　　充電自動停止原理：</b></p><p>　　鋰電池滿電電壓為4.2V，當電池電壓為4.2V,Uce1=5.3V-VD202-4.2V=0.7V</p><p>　　,這時Q301已經(jīng)進入截止區(qū)，應急儲能電流Ic1幾乎為0，停止對鋰

40、電池充電。</p><p>　　3.4 鋰電池電壓監(jiān)控指示電路</p><p>　　下圖3-11是鋰電池電壓的監(jiān)控指示電路，其核心的部件是TL431精密穩(wěn)壓器。</p><p>　　圖3.11鋰電池電量顯示電源</p><p>　　TL431元件特性： </p><p><b>　　一．特點</b&

41、gt;</p><p>　　相當于全范圍溫度系數(shù) 30ppm/℃。</p><p>　　0.2歐姆典型的輸出阻抗。</p><p>　　sink電流能力 1mA到100mA。</p><p><b>　　低輸出噪音。</b></p><p>　　可調(diào)節(jié)輸出電壓 Vref到36V。</p

42、><p>　　可提供范圍廣泛的高密度封裝。</p><p><b>　　二．描述</b></p><p>　　TL431和TL431A是三端可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器，有指定的熱穩(wěn)定性應用在汽車，商業(yè)，軍事溫度范圍。輸出電壓可設(shè)置任一值在Vref（大約2.5V）和36V范圍內(nèi)。有兩個額外的電阻。這些設(shè)備有一個典型的輸出阻抗為0.2歐姆。實際輸出電路提供了一個非

43、常尖銳的開啟特點。在許多應用中使這些設(shè)備優(yōu)良的替代了齊納二極管。像板上調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)的電源和開關(guān)電源。</p><p>　　TL431C和TL431AC的操作被設(shè)定為0℃到70℃，而TL431I和TL431AI的操作被設(shè)定為-40℃到85℃。</p><p>　　a.TL431的符號 b.TL431的代表框圖</p><p>　　c.

44、分壓穩(wěn)壓電路應用 d.陰極電流電壓關(guān)系</p><p><b>　　圖3-12</b></p><p><b>　　電路原理：</b></p><p>　　R203和R204確定上限電壓，R201和R202確定下限電壓。由上圖3-12c得，通過R1、R2的比值確定輸出電壓Vout的大小，Vo

45、ut=（1+R1/R2）Vret。當輸入電壓V<（1+R1/R2）Vret時，K-A之間完全截止，電流不能通過 ，當輸入電壓</p><p>　　V>（1+R1/R2）Vret時，K-A之間處于微導通狀態(tài)，限流電阻上的電流明顯變大、壓降變大，輸出電壓變小達到穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　結(jié)合圖3.12(d)得當電池電壓小于上限（1+R203/R204）Vret，但大于下限（

46、1+R201/R202）Vret時，Q202處于完全截止狀態(tài)，對Q201沒有任何的影響，則Q201輸出電壓U1=（1+R201/R202）Vret，則流過LED的電流大小=（電池電壓—U1—LED壓降）/R205，但電池電壓在上下限范圍的時候，LED的電流大小是由電池電壓確定，電壓大的LED就越亮。</p><p>　　當電池電壓大于上限電壓（1+R203/R204）Vret時，Q202的A-K間產(chǎn)生微導通，R2

47、01的電流、壓降增大，Q201的采樣端電壓變大，Q201誤以為R201變大了，由輸出公式得：輸出電壓也變大，LED的電流變小或熄滅。（R201有調(diào)節(jié)LED變化率的作用）</p><p>　　當電池電壓小于下限電壓（1+R201/R202）Vret時，Q202對Q201沒有影響，Q201是獨立的，則Q201截止，通過LED的電流為零，LED熄滅。</p><p><b>　　結(jié)束語

48、</b></p><p>　　通過制作太陽能手機充電器，可以喚醒人們對環(huán)境的珍惜，使用綠色能源保護地球。在成本進一步降低的情況下，有可能可以投放市場大規(guī)模生產(chǎn)和使用。拉動消費。</p><p>　　在電路分析時必要尊從能量守恒定律，一切的電路都適合能量守恒定律，使用能量守恒定律電路就變得簡單。無論分析什么事情時我都會考慮到能量守恒定律，因為他是一條通用的宇宙定律，值得推薦的一條

49、定律！</p><p>　　圖3-14 太陽能手機充電器實物</p><p>　　致 謝 </p><p>　　本論文是在指導老師xx老師的悉心指導下完成的，在繁忙的頂崗實習期間忙里抽空出來把論文完成，在論文完成的過程中，遇到了不少的困難，首先就是要對相關(guān)知識進行系統(tǒng)的了解和掌握，對于自己完全陌生且深奧的知識學習確實并非易事，但還是努力克服重重困難

50、，完成論文的寫作[2]。</p><p>　　首先要感謝我的指導老師xx老師。麥老師從一開始的論文方向的選定，到最后的整篇文論的完成，都非常耐心的對我們進行指導。給我提供了數(shù)據(jù)資料的來源和建議，告訴我應該注意的細節(jié)問題，細心的給我指出錯誤，修改論文。致以崇高的敬意和衷心的感謝[2]！</p><p>　　同時感謝畢業(yè)設(shè)計的xxx和曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，正是因為有了你們的幫助?/p>