手机太阳能充电器的设计方案

手机太阳能充电器的

设计方案

第一章概述

1.1 选题的意义

在电力电子的领域中，对于电源供应器(Power Supply)有两种不同的设计方式，一种线性式电源供应器(Linear Power Supply)，一种是切换式电源供应器(switching Power Supply)。虽然线性式电源供应器具有较小的涟波、较高的可靠度及没有电磁干扰，但却有效率低及体积大等缺点；而切换式电源供应器虽具有体积小且轻，功率转换效率高及较大的输入电压围的优点，但的涟波、噪声，以及电磁干扰的产生也不可忽略的问题。近几年来，功率半导体、控制电路与被动组件的研究快速，制造厂商要求效率的提升，成本降低等条件日渐严苛，而 SPS 正能符合其所需，故本专题的研究方向，将针对 SPS 来做探讨。

本专题所研究的部分是在切换式电源供应器中的降压型转换器(Buck Converter)，使用降压型转换器及太阳能当电源，使手机能在太(灯光)照射下对手机充电，不需外加电源使用性方便。操作在直流对直流转换连续导通模式(Continous Condition Mode；简称 CCM)，所使用之方法是：先经过IsSpice 仿真软件，来针对电路进行仿真分析，等分析确定无误后，使用 Protel

DXP 将模拟出来的结果以布线的方式来规划硬件电路。而太阳能电池为单晶硅，照射下输出 8V 至 25V，使用降压式电源转换器使电压降至稳定的直流 6V 接至手机使手机充电。

完成太阳能手机充电器，太阳能板在经过照射下输出电压经过降压电源转换器对手机充电。

1.2 太阳能电池发电原理

利用电位差发电，无电磁波产生太阳电池 (solar cell)是以半导体制程的制作方式做成的，其发电原理是将太照射在太阳电池上，使太阳电池吸收太能透过图中的p-型半导体及n-型半导体使其产生电子(负极)及电洞(正极)，同时分离电子与电洞而形成电压降，再经由导线传输至负载。

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应制作。简单来说，太电的发电原理，是利用太阳电池吸收 0.2µm～0.4µm波长的太，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，将直流电转换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。

太阳能制造厂商将太阳能电池称为cel，国业者则惯称芯片，把晶片(或依设计所需要的电流进行芯片切割后)焊上箔条导线再将许多焊好的芯片用箔条串联成一组，再和 EVA，tedlar 与低铁质强化玻璃层层迭迭，一同放入层压机的机台上做真空封装，制

成为模块或称太阳能板，将若干太阳能板组成方阵，接配上过充放保护控制及深(循环)放电蓄电池(铅钙)以及逆转流器(直流转

变为交流)合称为太阳能电力系统,又称太阳能发电站。

一般太阳能光电商品,其太阳能输出电流如果在300毫安(mA)以下时，都只会在太阳能板正极输出端，接装一个负载极微小的防逆二极管(消基二极管)以防止蓄电池的电流逆流回到太阳能板,如此，就可以接上蓄电池使用.

1.3手机太阳能充电器发展及新技术

太阳能电池是一种利用太直接发电的光电半导体薄片，只要一照到光，瞬间就可输出电压及电流。而此种太阳能光电池简称为太阳能电池，又可称为太阳能芯片。在中国大陆称为硅芯片在物理学上称为光生伏打(Photovoltaic)，简称PV (photo=light 光线voltaics=electricity电力)。

硅为目前通用的太阳能电池之原料代表；而在市场上又区分为晶硅及非晶硅两大类。非晶硅由于发电效率比较低，且长期寿命不如晶硅，运用在型发电系统的机会比较少，通常的运用为个人化运用产品，如手电筒、计算器等；也有一些设计为建材屋瓦、壁面或帷幕墙的运用，但均非太阳能发电系统主流产品。

1-4太阳能电池特性

太阳能电池等效电路，其中等效电流源iph 之大小与太阳能板所接受的日射量成正比，电流源itp 为温度变化时等效电流源的修正，P-N 接面存在一非线性电阻R j，代表P-N 二极管的

顺向电阻，D j为理想的P-N 二极体，v tp为温度变化时二极管障壁电位的修正电压，R s及R sh为电池本身的串联及并联电阻。而R o为外接负载，i pv、v p 为太阳能电池输出电流及电压。iRj是非线性电阻上的电流，Isc为太阳能电池短路电流，Vmp、Imp为太阳能电池最大功率点的电压、电流，v pv为太阳能电池输出电压，V oc为太阳能电池开路电压。

图1-1太阳能电池等效电路

在实际的应用情况中，日射量、温度改变时，太阳能板的特性也会跟着改变，因此需加以修正。

其中i ph为太阳能电池等效电路中的电流源，L ref为参考的日射量，L 表示为太改变后的日射量，I ref为参考日射量下太阳能电池等效电路中的电流源， a 为电流温度系数， b 为电压温度系数，Tref为参考温度。可以从图1-6及图1-7看出，当日射量、温度改变时，对太阳能电池V-I 特性的影响，其中日射量的增加伴随着短路电流的上升，并且对于开路电压则有微小的上升，此外随着温度的增加使二极管的障壁电位减少，因此太阳能电池的开路电压下降，短路电流会有些微上升。

图1-2

图1-3 不同温度下的太阳能模块V-I

第2章设计方案

2.1充电器的技术参数

（1）空载时电路输出电压约为4.2V。

（2）（2）正常时约为40mA，充电电流约为85mA。

（3）（3）采用恒压跟踪（CVT）方式实现对太阳电池的最大功率跟踪

2.2常见充电电池特性及其充电方式

电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实

现的，由于使用的化学物质的不同，电池的特性也不同，其充电的方式也不大一样。电池的安全充电现代的太阳能充电器需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。充电方法SLA 电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流； NiCd 电池和NiMH 电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。最大充电电流最大充电电流与电池容量(C) 有关。最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。例如，电池的容量为750 mAh，充电电流为750 mA，则充电电流为1C (1 倍的电池容量)。若涓流充电时电流为C/40，则充电电流即为电池容量除以40。过热电池充电是将电能传输到电池的过程。能量以化学反应的方式保存了下来。但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。当电池充满后若继续充电，则所有的电能都将转化为电池的热能。在电池充满电后对电池容量的检测使充电器停止对电池充电是很重要的，这样可以避免对电池的损坏使电池的寿命。

第3章手机充电器电气的设计

3.1降压式电源转换器

3.1.1 电路分析

为了产生一纯直流的输出讯号，平均输出电压会小于直流输入电压，可提供单极性的输出电压与单向输出电流。可应用在输入与输出不需隔离且输入电压比输出电压大的地方，降压转换如图 3-1 所示。