太阳能手机充电器原理教材

1、开放实验（论文） 题目： 太阳能手机充电器设计 院 （系 ）名称 电子与信息工程学院 专 业 班级 通信工程 学 号 130405004 学 生 姓名 李天龙 指 导 教师 曹玉东 起 止 时 间 ： 2014.10 2015.01 开放实验（论文）任务及评语 院（系）： 电子与信息工程 教研室：通信工程 号 学 龙 天 李 1 3 1 信 通 开放实验 （论 文） 题目 开放实验（论文）任务 能 的 告 功 当 报 电 适 计 括： 充 行 设 包括 ； 机 进 成 ，包 路 手 案 完 ； 电 现 方 求 计 理 块 实 计 要 设 原 模 ， 设 板 电器 集 集 板 及 模 电 采 采

2、 能 理 的 充 量 量 阳 ： 原 定 求： 阳能 能 能 太 求 对 给 要求 太阳 解 计 置 要 够 照 要 太 了 设 购 告 能 按 计 现 、 、 、 报 设 实 1、 2、 3、 报 1 2 指导教师评语及成绩 日 月 ： 字 字 年 签签 生师 学 导教 ） % 000 253 ： 绩绩绩 成成成绩 时文辩成 平论答总 开放实验(论文) 目录 第 1 章 绪论 1 1.1 设计的目的 1 1.2 设计的意义 1 1.3 实际的背景 1 第 2 章 关于太阳能电池的简介 2 2.1 太阳能简介 2 2.2 太阳能电池结构 2 2.3 太阳能发电方式 2 2.4 太阳能电池板的应

3、用 3 第 3 章 微弱能量采集原理 5 3.1 微弱能量采集原理的论述 5 3.2 微弱能量电能收集系统 5 第 4 章 设计方案 7 4.1 基于 BQ25504的方法及特性 7 4.1.1 支持高效 DC/DC 7 4.1.2 电池状态输出 7 4.1.3 可编程动态最大功率点跟踪 (MPPT) 7 4.1.4 应用范围 7 4.2 BQ25504 的说明 8 4.3 BQ25504 能量采集电路 9 4.4 按键和电源方面 11 4.5 过充保护 14 第 5 章 总结 15 参考文献 16 附录 17 开放实验（论文） 第1章 绪论 1.1 设计的目的 本充电器通过太阳能电池板将太阳

4、能转化为电能， 经过 DC/DC 变换电路处 理后，由充电电路为负载供电。锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，而 是采取开始恒流快速充电，待电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电的 方式，并且这样有利于保存电池容量。充电过程中采用 LED 灯、数码管指示， 系统中设计有完备的过流过压保护，避免因电池过度充电而损坏，并且充电器 采用模块式结和 USB 接口，可对手机、 MP3、摄像机等多种数码产品充电。 文中介绍设计的太阳能手机充电器，与普通的手机充电器相比，它的特殊 之处除了能源的供应来自太阳能电池板外，充分利用单片机的智能性，设有完 备的电压电流检测保护电路，并通过 LED 显示电路的状

5、态，当光线不够强时， 指示灯不亮，蓄电池为手机充电，光线足够强时，指示灯亮，由太阳能电池板 供电，同时可为充电电池充电。把太阳能电池板放在一个有阳光的地方，即可 以为手机提供一个方便的太阳能充电点。 1.2 设计的意义 通过本课题的研究，除了对所学知识的进一步巩固外，还可以把理论与实 践结合起来，把知识转变成生产力，创造使用价值，给人们的生活带来方便。 使用手机的人都有过这样的经历，外出或旅游时电池突然没电了，特别是 在火车、汽车、轮船等没有电源的交通工具上，没电、电量不足，使手机变成 了信息交流的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。 1.3 实际的背景 为了解决上述这样的问题， 本课题研究了一

6、种太阳能充电器， 它可以很好的 解决上述问题，给你的生活带来很大的方便。既节约了能量，又使用方便，是居 家旅行的必备品。 化石能源的日益枯竭、 人们对环境保护问题的重视程度也在不 断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。 太阳能作为一种可再生能源 它具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点。 开放实验（论文） 第2章 关于太阳能电池的简介 2.1 太阳能简介 太阳能（ Solar Energy ），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作 发电。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能 等等。太阳能电池，又称光伏器件，是一种利用光生伏特效应把光能转变为电 能的器件。它

7、是太阳能光伏发电的基础和核心。 2.2 太阳能电池结构 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效 应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们 的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。 P 型晶体硅经过掺杂 磷可得 N 型硅，形成 P-N 结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材 料吸收 ;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电 流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成 电能的过程。 太阳光照在半导体 P-

8、N结上，形成新的空穴 -电子对，在P-N 结电场的作用 下，空穴由 N区流向 P区，电子由 P区流向 N 区，接通电路后就形成电流。这 就是光电效应太阳能电池的工作原理。在阳光下，通过光能转换为电能并通过 控制电路储存到内置蓄电池，也可以直接把光能产生的电能对手机或其它电子 数码产品充电，但必须依据太阳光的光度而定，在没有太阳光的情况下，可以 通过交流电转化直流电并通过控制电路储存到内置电池。 2.3 太阳能发电方式 太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另 一种是光电直接转换方式。 （ 1） 光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由 太阳能集热器将所吸收的热

9、能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个 开放实验（论文） 过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一 样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通 火电站贵 510 倍。一座 1000MW 的太阳能热电站需要投资 2025 亿美元， 平均 1kW 的投资为 20002500 美元。因此，适用小规模特殊的场合，而大规 模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。 （ 2） 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能 的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极 管就会把太阳的光能变成电能，

10、产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可 以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途 图 2.1 半导体 P 型与 N 型交界面 的新型电源， 具有永久性、 清洁性和灵活性三大优点 . 太阳能电池寿命长，只要 太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相 比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千 瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。 太阳能的光能直接就变成了可付诸实用的电能。 半导体的结构图如图 2.1 所示 2.4 太阳能电池板的应用 上世纪 60 年代，科学家们就已经将太阳电池应用

11、于空间技术通信卫星供 电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直 接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手，如：太 开放实验（论文） 阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌 溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城 镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边 远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成 产业化趋势 。 开放实验（论文） 第3章 微弱能量采集原理 3.1 微弱能量采集原理的论述 在电能供给的方式，一般采用电池对各

12、种微型器件供电。尽管电池的储能密 度和使用寿命不断提高，传统电池仍具有一些无法改变的供能缺陷：体积大，质 量大，供能寿命有限，能量耗尽需要重复充电。对于目前研究和应用的热点 无 线网络和嵌入式系统来说时，电池供电的这种缺陷更明显的体现出来。随着网络 分布的广泛，微器件数目越来越大，并且由于有些微器件的工作位置难以触及， 电池更换变得极为不便甚至于不可的，为解决这一制约问题，科学研究人员引入 了“能量采集”这一概念。通常意义上所讲的 “能量采集 ”实际上特指将其它形式的 能量采集，转换为电能。即将器件所处环境中的光能、热能、机械能、电磁辐射 能等一种或多种能源转换为电能存储在电池、电容等储能装置

13、中以满足器件的需 求。 3.2 微弱能量电能收集系统 Es 由于该充电器的核心为直流电源变换器，它从一直流电源中吸收电能，以 尽可能大的电流充入一个可充电池。直流电源的输出功率有限，其电动势 开放实验（论文） 在一定范围内缓慢变化，当 Es 为不同值时，直流电源变换器的电路结构，参 数可以不同。监测和控制电路由直流电源变换器供电。由于Es 的变化极慢， 监测和控制电路应该采用间歇工作方式，以降低其能耗。可充电池的电动势 Ec=3.6V ，内阻 Rc=0.1 。 开放实验（论文） 第 4章设计方案 4.1 基于 BQ25504的方法及特性 本设计主要是利用光电效应现象利用将太阳能转换成电能，电路

14、设计充电 电路来实现太阳能转化成的电能转换成适当的电压给手机充电。采用太阳能电 池板、 TI 的能量采集芯片 BQ25504、充电和指示部分实现。 用于能量采集器应用的含电池管理功能的超低功率升压转换器 4.1.1 支持高效 DC/DC 1. 从低输入源持续能量采集 : VIN 80 mV（典型值 ） 2. 超低静态电流 : IQ 330 nA （典型值 ） 3. 冷启动电压 : VIN 330 mV （典型值 ） 4.1.2 电池状态输出 1. 电池正常输出引脚 2. 可编程阀值和磁滞 3. 附加微传感器能耗挂起损失警告 4. 可被用于打开 /关闭系统负载 4.1.3 可编程动态最大功率点跟

15、踪 （MPPT） 1.集成动态最大功率点跟踪用于从多个能量生成源中的最优源中提 取能量 2.输入电压调节防止输入源损坏 3.支持可编程过热关闭的片载温度传感器 4.1.4 应用范围 1）能量收集 2）太阳能充电器 3）热电生成器 （TEG） 采集 4）无线传感器网络（ WSN） 5）工业监测 开放实验（论文） 6）环境监测 7）桥接 / 结构健康监测 （SHM） 8）智能楼宇控制 9）便携式和可佩带健康设备 10）娱乐系统遥控 4.2 BQ25504的说明 BQ25504 是第一个新智能集成能量采集纳瓦级功率管理解决方案系列产品， 此系列产品能满足超低功率应用的需要。此款产品特别为获取和管理由

16、多种 DC 源，诸如光电（太阳能）或者热电生成器而生成的微瓦（ W）到毫瓦（ mW）功 率而设计。 bq25504 是第一个此类产品，此产品针对目标产品和系统，例如具有 严格功率和运行要求的无线传感器网络（ WSN）而采用高效升压转换器 / 充电器。 bq25504 DC-DC 的设计从升压转换器 /充电器开始，此升压转换器 /充电器的开始 工作功率只有几微瓦。 图 4.1 总体设计方案图 一旦启动升压转换器 /充电器可以有效地从低压输出采集器， 例如热电生成器 （ TEG）或者单、双太阳能电池面板中抽取能量。 升压转换器能够在 VIN 低至 330 mV 时启动, 并且一旦启动，它能够在 V

17、IN = 80 mV 持续采集能量。 BQ25504 还采用一个可编程最大功率点跟踪采样网络以优化至器件的功率 传输。 采样 VIN_DC 开电路电压可使用外部电阻器进行编程 , 并由一个外部电容 器保持 （CREF）。 开放实验（论文） 例如太阳能电池，此电池运行它们开电路电压 80%的最大功率点上，电阻分 压器可被设定到 VIN_DC 电压的 80%并且此网络将控制 VIN_DC 使其工作在接近 采样基准电压下。或者可以由一个 MCU 提供一个外部基准电压以生成一个更复 杂的 MPPT 算法。 BQ25504 具有灵活性的设计使其可以支持多种能量存储元件。 采集器抽取能 量的来源可以是零星

18、的或者随时间变化的。系统通常需要一些类型的能量存储元 件，例如可充电电池、超级电容器，或者传统电容器。当系统需要时，存储元件 将提供特定恒定电流。存储元件还允许系统处理任何峰值电流，此峰值电流并不 直接来源于输入源。 为防止损坏用户的存储元件， 根据用户变成设定的欠压 （UV ） 和过压（ OV），对最高和最低电压进行监视。为了进一步帮助用户严格管理他们 的能量预算，当储能电池或者电容器的电压降至低于预设临界水平时， bq25504 触发电池正常标识以向附加的微控制器传递信号。这将触发负载电流以防止系统 进入欠压状况 OV, UV 和电池正常阀值可独立编程。 BQ25504 的所有性能都被封装

19、在一个小型 16-引线 3 mm x 3 mm QFN 内。 4.3 BQ25504 能量采集电路 要将微弱点电压尽可能收集起来，需要设计一种超低压启动、较高的转换效 率、超低功耗的 DCDC 电路。本设计的方案一中选用了 TI 公司的 2bq25504， 该芯片是 TI 公司推出的新一代电源管理模块， 具有超低的静态电流， iq330 nA， 冷启动电压 Vin 为 330 mV，启动后， 大于 80mV 的输入电压即可维持工作， 转换 效率可达 70%以上，能大幅度提高微能量收集效率。 BQ25504 还具有大功率点跟 踪能力（ MPPT），能优化能量采集器的能量采集，通过外部电阻编程来调

20、整输出 电压。 本电路根据 TI 公司提供的 BQ25504 评估板设计并实现，其测试性能如下， J1当输入电压从 3.3V 下降到 0.1V变换过程中，输出 J2输出电压几乎保持在 3.16V 左右。 J1VIN J1GND J2BAT J2 GND J3 VIN J3 - GND J4 BAT OK J4 GND J5 STOR J5 GND J6 STOR J6 BAT J6 - GND 接口 说明 开放实验（论文） Input Source (+) Input Source Return ( ) Battery connection (+) Battery Connection Ret

21、urn ( ) Input Source Sense (+) for J1 Input Source Return Sense () for J1 Battery Status Indicator (+) Battery Status Indicator Return ( ) Charger Output (+) Charger Output Return ( ) Charger Output Sense (+) Battery Connection Sense (+) for J2 Battery Connection Sense () for J2 表 4.2 接口说明 太阳能电池板是一种

22、光电传感器，光电传感器是指能够将可见光转换成某种 电量的传感器。在本设计中由于设计简单、成本低，所以选用硅太阳能电板 图 4.3 太阳能电池板 10 开放实验(论文) 4.4 按键和电源方面 随着科学技术的发展，构成充电电路的集成块越来越多，并且都具有自己的 特点。下面我以 LM324集成块为核心，设计一下充电电路：本文介绍的自制充电 器用 LM324的 4 个运算放大器作为比较器，用 TL431设置电压基准，用 S8550作 为调整管，把输入电压降压，对电池进行充电，其原理电路见图4.4 。其特点是 电路简单、工作可靠、 无需调整、 元器件容易购买等，下面分几个部分进行介绍。 基准电压 Vr

23、ef 形成 外接稳压过后的电源、二极管 VD1 后由电容 C1 滤波。VD1 起保护作用，防 止外接电源极性反接时损坏 TL431。R3、R4、R5 和 TL431 组成基准电压 Vref， 根据图中参数 Vref= 2.5 (390+820)820=3.70(v)，这个数据主要是针对锂电池充 电而设计 (单节锂电池充电充满后电压约为 3.70V)。 大电流充电 (1)工作原理 接入电源，电源指示灯 LED(VD2) 点亮。装入电池 (参考图片，当电池电压低 于 Vref 时， IC1-2 输出低电平， VT1 导通，输出大电流给电池充电。此时， VT1 处于放大状态 -这是因为电池电压和 V

24、D4 压降的和约为 3.2V(假设开始充电时电池 电压约为 2.5V)，而经 VD1 后的电压大约 5.0V ，所以，VT1 的发射极集电极压 差远大于 0.2V ，当充电电流为 300mA 时， VT1 发热比较严重，所以最好用 PT=625mW 的 S8550，或者适当增大基极电阻以减小充电电流 (注：由于 LM324 低电平驱动能力较小， 实测 IC1-2，IC1-4 输出低电平并不是 0V，而是约为 0.8V) 。 (2)充电的指示 11 开放实验（论文） 首先看 IC1-3 的工作情况：其同相端 3脚通过 R13接 Vref,R14 接成正反馈， 反相端 2 脚外接电容，并有一负反馈

25、通路，所以，它实际上构成了滞回比较器。 刚开始时 C2上端没有电压，则 IC1-3 输出高电平。这个高电平有两个放电通路， 一个通路是通过 R14反馈到 3脚，另一通路是经电阻 R15对电容 C2充电，当充 电的电压高于 3脚电压 V+ 时，比较器翻转输出低电平；与此同时，由于 R14 的 反馈作用， 3 脚电压立即下跳到 V-，这时，电容 C2 通过电阻 R15 放电，当放电 的电压小于 3脚电压 V-时，比较器再次翻转输出高电平， 由于 R14 的反馈作用， 3 脚电压立即上跳到 V+ ，此后电路一直重复上述过程，因此， IC1-3 的输出为频 率固定的方波信号。 其次看 IC1-4 的工

26、作情况：电池电压经 R2、R16 分压，接 IC1-4 的 3 脚，因 为 R2R16，所以输入 IC1-4 的 3 脚电压基本上略低于电池电压，显然它更低于 其 2 脚电压 因此， IC1-4 输出稳定的低电平。结合上面的讨论，我们可以看出， 加在 R12 和 VD3 通路一端为频率固定的方波电压，另一端为稳定的低电平，因 此，发光二极管 VD3 会周期性点亮， 给人一闪一闪的感觉。 电路图如图 4.5所示： 图 4.5 电源模块电路 最后看 IC1-1 的工作情况：当 IC1-2 输出低电平时，显然 IC1-1 的 3 脚为低 电平，而其 2脚通过 R1接 Vref 所以， IC1-1 也

27、输出低电平。结合上面的讨论， 我们可以看出， R11和 VD5两端电压差为零，因此， VD5（饱和指示 ）不能点亮! 电 路图如图 4.6 所示： 另外，由于 IC1-1 输出低电平， 无论 IC1-3 的 2 脚电压如何变化 （ 电容充、放 电在该脚形成三角波电压 ）都不会受 IC1-1 输出的影响 因为 IC1-3 的 2 脚电压 （ 要么高到 V+ ，要么低到 V-） 始终高于 IC1-1 的输出， VD6反偏截止 ! 所以，这种 状态下，三只指示灯的工作情况分别为： VD2点亮，指示电源正常； VD3闪烁，指 12 开放实验（论文） 示电池充电正常； VD5不亮。 小电流充电 当充电一

28、段时间后，电池电压慢慢上升到接近 Vref 时， IC1-2 输出电压慢慢 上升，于是，流过 R7的电流慢慢减小，即流经 VT1 基极的电流慢慢减小，因此 VT1 输出的电流也会慢慢减小，但电池电压还会持续不断地缓慢上升，当电池电 压几乎等于 Vref 时，IC1-2会输出较高电压，这时 IC1-1 的 3脚电压高于 2.8OV （反 相端 2 脚的输入端电压 ）， 比较器翻转输出高电平。该电压有两个作用：一方面 会使 VD5 正偏导通被点亮 （此时， IC1-4 输出还是低电平 ），指示充电饱和；另一 方面 VD6 也正偏导通，而 R17很小，实际上是强制 C2上端为高电平，所以 IC1-3

29、 的 2 脚电压高于 3 脚电压， IC1-3 被强迫输出低电平， VD3 因无正偏压而熄灭。 电路图如图 4.6 所示： 虽然，从外在的表现看充电灯熄灭，饱和灯点亮在某一时刻瞬间转换完成， 但是实际上充电过程却是逐渐过渡的：当电池电压远低于 Vref 时持续大电流充 电，当电池电压接近于时充电电流慢慢减小， 直至逐渐充电趋近零 即使饱和 灯点亮时，小电流充电仍在继续 !所以这种状态下， 三只指示灯的工作情况分别为： VD2 点亮，指示电源正常； VD3 不亮； VD5 点亮（饱和指示，小电流充电 ）。 IC1-4 的用途 13 开放实验（论文） 从上面 2、3 内容的分析中可以看出， 无论电

30、路是大电流或小电流充电， IC1-4 的输出一直是 “低电平 ”，好像它没有什么作用似的，还不如直接把 VD3 、VD5 负 极接 “地”刚?开始设计时，确实没有考虑用 IC1-4，把 VD3 、VD5 的负极直接接地。 然而，当制作好后通电工作时发现一个问题： 当不装电池通电时， 饱和指示灯 VD5 点亮显然不合适 !因为，没装电池时 VT1 处于微导通状态， IC 1-2 的 3脚电压高 于 ， IC12 输出高电平，于是 IC1-2 也输出高电平， VD5 点亮。 若在原理图中接入 IC1-4，没装电池时 VT1 处于微导通状态， IC1-4 的 3 脚电 压也会高于 ，因此， IC1-4输出高电平，这样 VD5 就不能点亮。 需要说明一点，外接输入电压不能太高，也不能太低。输入电压太高，大电 流充电时调整管发热严重；另一方面， IC1-2 输出高电平的时间会因为电源电压 较高而提前超过 Vref（设定值 ），这样就会给我们一个错觉，电池很快就充满了 !实 际上并非如此。输入电压太低也不好，同上面的分析一样， IC1-2 输出高电平的 时间会因为电源电压较低而迟后，更有甚者，也可能永远达不到充电指示灯一直 闪烁，但大电流充电过程早已结束。 4.5 过充保护 在充电过程中，随着电池电压的升高，充电电流逐渐减小，为避免电池过充 影响电