简单的太阳能手机充电器毕业论文最终稿 - 图文

**职业技术学院

1

毕 业 论 文

简易的太阳能手机充电器

学生姓名：***

学 号：200902010125

年级专业：2009级电子信息工程技术1班指导老师：*** 系 部：电子系

广东·**

提交日期：2012年5月

目 录

摘 要...................................................................................................................................1 1 前 言..............................................................................................................................1 2外观及参数介绍....................................................................................................... 3

2.1 USB标准充电接口 ...............................................................................................3 2.2 市场上的太阳能手机充电器外形及参数 ..........................................................4 2.3 设计方案参数 ......................................................................................................5

3太阳能手机充电器电路分析 .............................................................................6

3.1 太阳能电源板充电电路 .......................................................................................7 3.2 锂电池电源升压电路 ...........................................................................................8 3.3 锂电池应急储能电路 .........................................................................................12 3.4 锂电池电压监控指示电路 .................................................................................13

结束语...............................................................................................................................15 参考文献 .........................................................................................................................16 致 谢 ............................................................................................................................17

2

简易的太阳能手机充电器

作 者：*** 指导老师：**

(**职业技术学院2009级电子信息工程技术)

摘要：手机越来越多的普及到世界范围，而使用手机的电池储能总是十分有限，几乎所有人都有过这样的经历：外出时手机电池突然没有电了，因充电器不在身边或找不到可以充电的地方，影响了手机的正常使用，尤其是对于经常外出的工作人员来说，在电池耗尽的时候为通信带来了极大的麻烦。为了解决这一问题，本文介绍一种太阳能手机充电器，它使用太阳能电池板，经电路进行直流DC-DC电压变换后给手机电池充电。光能是无处不在的，只要有光就有能量，可以随时随地给手机、相机等的电池充电，大大的方便了我们的外出生活，也不用为手机没电而担心了。

太阳能是取之不尽的可再生资源，也是清洁资源不产生任何的环境污染，相比其他的能源来说太阳能也是我们比较方便实用的能源，用太阳能电池组件为基础做的手机充电器能直接完成太阳能辐射能到电能的转换，制作成本低。

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，把电能储存在电池中，再经过开关稳压电路给手机充电，实现太阳能转化成手机电能设备。

关键词：手机、电池、充电器、太阳能、光电效应现象

1 前言

随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重，近年来世界各国竞相实施了可持续发展的能源政策，其中利用太阳提供能量的光伏发电最受瞩目.光伏发电因其具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、无需机械转动部件、故障率低、维护方便等独特优点，正受到各国的普遍重视[2]。

1

迫于全球性日益严重的资源短缺和环境污染，使得光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题，更是一个环境保护和能源替代的问题.目前光伏电池主要应用在并网和未连网的大规模发电领域，而消费类产品的应用实例非常少，如目前还没有真正有效的利用太阳能充电的手机电池.因此太阳能作为一种没有任何污染的、易取的绿色能源若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境有着非常重要的意义[2]。

太阳能产业已成为当今世界上发展最快的高新技术产业之一，最近十年的平均增长速度为33％，最近五年的平均增长速度为43％，而2004年则比2003年增长了61.2％。从全球范围来看，太阳能产业发展得最快的国家主要是德国和日本，而我国目前太阳能利用正以每年20％到30％的速度增长。德国联邦统计局公布的最新数字显示，太阳能产品在德国的市场占有率已达到39%。日本的太阳能产业已有相当规模，太阳能产品在日本的市场占有率也已经达到30%[2]。

2

2 太阳能充电器的外观及参数介绍

2.1 USB标准充电接口

欧美已采用microUSB作为手机充电器标准如图2-1所示，从2011年开始USB将作为手机充电器生产的标准，目前欧盟委员会已经批准了14家领先手机厂商达成的一项协议，同意采用microUSB手机充电器标准，这应该会在未来使充电器可在一系列广泛的设备中兼容使用。通用的充电器将让消费者的生活变得更加轻松，还能减少浪费和让企业从中受益，这确实是一种双赢的作法。欧盟委员会负责产业与企业事务的委员安东尼奥·塔加尼(Antonio Tajani)发表声明称：“我对欧盟标准化机构已经满足了我们有关开发通用手机充电器所必需的技术标准的请求感到十分高兴，现在轮到手机行业来证明其出 售用于这种新充电器的手机的承诺[3]。

有关采用通用充电器标准的努力始于2009年，其目的不仅是让消费者生活变得更加轻松，同时也是为了减少浪费，原因是通用标准将使手机用户在购买新手机后不需要再去寻找足够适配的充电器[3]。

支持采用这种新标准的14家公司分别是苹果、Emblaze Mobile、华为、LGE、摩托罗拉移动、NEC、诺基亚、高通、RIM、三星、索尼爱立信、TCT Mobile、德州仪器和Atmel。首批使用这种新标准生产的产品已经在2011年上半年在欧洲上市[3]。

图2-1 microUSB接口

表1-1 microUSB接口定义 引脚 1 2 3 4 5 名称 VBUS D- D+ ID GND 3

线的颜色 红 白 绿 无 黑 描述 电源+5V 数据负 数据正 A类：接地 B类：悬空 信号地

2.2 市场上的太阳能手机充电器外形及参数[13]

产品型号: RF -028 ? 蓄电池容量：2600MA，输出电压：5.5V。 ? 可以对照不同型的手机充电太阳能电池板：0.7W ? 环保、经济、小巧、轻便、宜于旅游携带 ? 尺寸：119*64*16mm ? 重量：110g 数量 100-1K 单价 65RMB 1K-5K 63RMB 5K-10K 样品 61RMB 100RMB 产品型号: RF -026 ? 可以对照不同型的手机充电 ? 环保、经济、小巧、轻便、宜于旅游携带 ? 太阳能电池板规格: 5.5V/45mA ? 1000MA环保蓄电池 ? 外形尺寸: 94.8mm×43.8mm×9.8mm ? 重量：98g（G） 数量 100-1K 单价 40RMB 1K-5K 38RMB 5K-10K 样品 36RMB 100RMB 产品型号：RF-091 ? 蓄电池容量：2000MA，输出电压：4.5V，可调节到9V。充电时间：4-6个小时 ? 可以对照不同型的手机充电太阳能电池板：5.5V*360MAH ? 环保、经济、小巧、轻便、宜于旅游携带 ? 尺寸：140*88*23mm ? 重量：200g 数量 单价 1K-5K 5K-10K 样品 100-1K 145RMB 140RMB 135RMB 200RMB 4

产品型号: RF -002 ? 可以对照不同型的手机充电 ? 四款手机转接插头（诺基亚、摩托罗拉、爱立信、三星）一条连接线 ? 环保、经济、小巧、轻便、宜于旅游携带 ? 尺寸：88*60*23（MM） ? 重量：88（G），蓄电池容量：700MAH，太阳能板功率：0.8W 输出电压：5.5V 数量 单价 100-1K 69RMB 1K-5K 66RMB 5K-10K 样品 65RMB 100RMB 产品型号: RF -096 ? 太阳能板功率:0.8W 蓄电池储能能量 1000MAH ? 线路电压：4.5～9V ? 四款手机转接插头（诺基亚、摩托罗拉、爱立信、三星）一条连接线 ? 环保、经济、小巧、轻便、宜于旅游携带 ? 尺寸&重量：103*80*15MM。102G 数量 100-1K 88RMB 1K-5K 85RMB 5K-10K 样品 83RMB 150RMB

单价 2.3 市场产品方案及参数

造型美观华贵，超薄设计，款式新颖，可有多种色彩选择，小巧玲珑，携带方便，应用绿色环保能源之先驱，时尚高雅，送礼佳品。适用于多种款式手机、MP3、MP4、PDA、数码相机充电[4]。 产品规格[4]：

1、使用高转换效率单晶硅和多晶硅片，太阳能转换效率高达30%以上； 2、太阳能电池板规格：5.5V/80mA； 3、充电器内置高容量可充电电池：800mAH；

5

4、输出电压：5.5V； 5、输出电流：1000mA；

6、充电器给手机充电时间：约60分钟（不同品牌和型号的手机有少许差别）； 7、太阳能给充电器内置电池充电时间：10～15小时； 8、用电脑或交流适配器给充电器内置电池充电时间：5小时； 9、外形尺寸：10 x 6.8 x0.8cm。

3 太阳能手机充电器电路及分析

图3-1是手机充电器的电路，其结构简单、模块清晰、制作成本低等。结合了《电路基础》、《模拟电子》、《开关电源》的相关知识，下面内容将分析电路。

图3-1简易的太阳能手机充电器充电电路

图3-1 电路可以分为：太阳能电源板充电电路、锂电池电源升压电路、锂电池应急储能电路、锂电池电压监控指示电路。表3-1是使用的元件列表，图3-2是PCB 图。

6

表3-1 各电路所用的元件

电路名称 元件 锂电池、太阳能电源板、D401 太阳能电源板充电电路 L101、D101、Q101、C101、USB 锂电池电源升压电路 Q301、Q302、R301、D202、锂电池 锂电池应急储能电路 锂电池电压监控指示电路 R206、D201、R205、Q201、Q202、R201、R202、R203、R204

图3-2 太阳能充电器PCB板

3.1 太阳能电源板充电电路

图3-3是太阳能电源板充电池电路，如下图所示。

图3-3 太阳能电源板充电池电路

电路分析：

太阳能电源板的功率很低，太阳能电源板跟电池连接充电的电路一定要简单，否则会造成转换效率很低，失去了太阳能的意义。本电路选择直接通过低压降的肖特基整流2极管D401连接电池，这是最简单的连接方式。太阳能电源板在空载时发电电压有6V之高，但受发电功率的影响他提供的电流很小在33mA左右，D401直接

7

连接太阳能电源板和锂电池，33mA的电流流过D401对D401没有构成安全威胁，可以直接连接。

太阳能的平均输出功率在200mW左右，D401的压降在0.4V左右，不算锂电池内阻。则D401上的功耗是：P=0.4V/（0.4V+3.7V）X0.2W=0.02W，在安全的范围内。

换效率的计算：n=有用功率/总功率=1-0.02W/0.2W=0.9

效率是不考虑电池内阻的情况下计算得到的结果，电池内部的“电能-化学能”转换效率计算很复杂，也不是单单电学方面知识能解释的，在这里就不再讨论化学电池那方面的问题。

3.2 锂电池电源升压电路

图3-4锂电池电源升压电路

这是一个“Boost开关电感升压电路”， 把3.7V升压到5.1V。其的基本原理是 根据Boost升压斩波结构来进行升压变换，下面讨论一下Boost的变换原理。

图3-5 Boost升压斩波变换结构图

8

Ui是稳定的直流电源、L是电感有储能作用、S是开关管、 VD是整流2极 管、C是滤波电容、RL 是负载电阻。

图3-7 开关S的PWM控制波形

从能量守恒角度分析Boost升压斩波：

初始状态前S断开、L的电流稳定了Io=Ui-UVD/RL,消耗功率为： P=Ui.IL ;当S闭合时，IL沿着充电曲线上升，Ui输出功率变大。S再次断开，电流开始下降，但总是大于或等于I0，则输出功率比S静态时变大、负载不变的情况下则输出电压和电流都应该变大，这就是他的斩波升压原理。 电流、电压定律分析Boost升压斩波过程：

1、 初始状态开关S断开的时候，Ui通过L-VD-C//RL形成回路，稳定时UC=Ui，L的初始电流大小I=Ui/RL。

2、 开关S导通的时候Ui通过L-S形成回路， L被短路后沿着电感充电曲线从I=Ui/RL充电、由于S的开关频率很高可以认为是线性充电的，则根据基尔霍夫电压定律得：Ui=UL=L dI/dton （左正右负），则dI=Ui ton/L . VD反向截止，Ui不再向C提供能量，电容C上的能量通过RL 放电，电压有所下降。这时UcI），电容C的充电比耗电大，Uc电压得到了升高。

9

附：内置MOS管TP8350升压芯片驱动大电流方案[11]

下是南京拓微集成电路有限公司的TP8350示例方案，讲述TP8350的使用方法和参数的选择。

图3-8 TP8350的示例电路

一、输入电源为锂电池（3.2v≤Vin≤4.2v） 1. 驱动负载100mA≤Io≤500mA时 （1）TP8350：

建议各器件参数 L=110uH（内阻<0.1ohm），Cin=47uF，Diode=1N5817\\1N5818\\1N5819，Cout为100uF电解电容和0.1uF陶瓷电容并联。 （2）TP8356：

建议各器件参数 L=330uH（内阻<0.1ohm），Cin=47uF，Diode=1N5817\\1N5818\\1N5819，Cout为300uF电解电容和0.1uF陶瓷电容并联。 2． 驱动负载Io<100mA时

TP8350、TP8356外围器件参数参照TP83规格书中典型应用电路的参数。

二、输入电源为两节干电池（2.2v≤Vin≤3v） 1． 驱动负载100mA≤Io≤300mA时

TP8350、TP8356器件参数L=110uH（内阻<0.1ohm），Cin=47uF，Diode=1N5817\\1N5818\\1N5819，Cout为100uF电解电容和0.1uF陶瓷电容并联。 2． 驱动负载Io<100mA时

TP8350、TP8356外围器件参数参照TP83规格书中典型应用电路的参数。

注意：

(1) 建议客户参数的选取参照上述的情况，驱动大负载并输入电源为锂电池时，电感值不能小，否则芯片可能会产生过冲，输出电压值过高。

10

(2) 输出电容的耐压值必须>16V以上，耐压过小电容可能会烧；并且容值不能低于100uF，否则输出电压纹波太大，有可能出现过冲。容值越大，输出电压纹波越小。

(3) 应用中陶瓷电容0.1uF最好接上，并与芯片距离越小越好，连线越短越好。 (4) 外置驱动管芯片的外围器件参数，无特别要求可参照TP83规格书中典型应用电路的参数。

TP8356测试数据，

L=330uH（内阻<0.1ohm），Cin=47uF，Cout为300uF电解电容和0.1uF陶瓷电容并联。

RL=10ohm Vin（V） 4.1 3.6 3.2

若输出电容换为100uF的电解电容，在同样的输出电阻下，输出电压会比接300uF电解电容时的电压小200mV左右。所以驱动大负载下，输出电容小，输出电压纹波大，则输出电压的平均值会低些。

Iin（A） 1.12 1.12 1.12 Vout（V） 5.42 5.01 4.67 效率 64.0% 62.3% 60.9%

图3-9 从淘宝网上买回来的元件

11

3.3 锂电池应急储能电路

下图3-10是锂电池的应急充电电路，在没有太阳的时候也可以通过USB充 电器充电，其实他就是一个镜像电流源电路。

图3-10 锂电池闲时储能电路 电路分析：

这是一个镜像电流源充电电路，Q301和Q302 是两个完全相同的三极管则β值相 等，发射极连在一起都是接地，基极也是连接在一起，则Ube1=Ube2，Ib1=Ib2. Q302的集电极和基极相连，Q301集电极跟电池和D202串联，5.3V充电电压通 过R301向Q302提供基极电流和集电极电流。由图得Q302是工作在放大区， Ic=(β+1)Ib.Q301集电极发射极电压为：Uce1=5.3V-UD202-3.7V =1.1V所以 Q301工作在发大区.电路还有充电自动停止功能。但缺点是效率低，小于50%。 由结点电流法得：Ic2+Ib2+Ib1=5.3V-Ube1/R301

(β+1)Ib2+Ib2+Ib1=5.3V-0.7V/R301

又知Ib1=Ib2 (β+3)Ib2=4.6V/R301

Ib1=Ib2=4.6V/[R301(β+3)]

又知Q301和Q302都工作在放大区则：

Ic1=Ic2=(β+1)Ib1

已知B>>1 则： Ic1=Ic2=4.6V/R301 求得IC1是对电池的充电电流 查看资料锂电池的充电电流应该是在200mA左右，则令Ic1=Ic2=200mA 综合上述估计得： R301=4.6V/Ic1=4.6V/200mA=23Ω

12

充电自动停止原理：

锂电池满电电压为4.2V，当电池电压为4.2V,Uce1=5.3V-VD202-4.2V=0.7V ,这时Q301已经进入截止区，应急储能电流Ic1几乎为0，停止对锂电池充电。

3.4 锂电池电压监控指示电路

下图3-11是锂电池电压的监控指示电路，其核心的部件是TL431精密稳压器。

图3-11锂电池电量显示电源

TL431元件特性： 一．特点

1．相当于全范围温度系数 30ppm/℃。 2．0.2欧姆典型的输出阻抗。 3．sink电流能力 1mA到100mA。 4．低输出噪音。

5．可调节输出电压 Vref到36V。 6．可提供范围广泛的高密度封装。 二．描述

TL431和TL431A是三端可调并联稳压器，有指定的热稳定性应用在汽车，商业，军事温度范围。输出电压可设置任一值在Vref（大约2.5V）和36V范围内。有两个额外的电阻。这些设备有一个典型的输出阻抗为0.2欧姆。实际输出电路提供了一

13

个非常尖锐的开启特点。在许多应用中使这些设备优良的替代了齐纳二极管。像板上调节，可调节的电源和开关电源。

TL431C和TL431AC的操作被设定为0℃到70℃，而TL431I和TL431AI的操作被设定为-40℃到85℃。

a b

c d

图3-12 a.TL431的符号 b.TL431的代表框图 c.分压稳压电路应用 d.阴极电流电压关系

电路原理：

R203和R204确定上限电压，R201和R202确定下限电压。由上图3-12c得，通过R1、R2的比值确定输出电压Vout的大小，Vout=（1+R1/R2）Vret。当输入电压V<（1+R1/R2）Vret时，K-A之间完全截止，电流不能通过 ，当输入电压 V>（1+R1/R2）Vret时，K-A之间处于微导通状态，限流电阻上的电流明显变大、压降变大，输出电压变小达到稳压的目的。

结合图3-12(d)得当电池电压小于上限（1+R203/R204）Vret，但大于下限（1+R201/R202）Vret时，Q202处于完全截止状态，对Q201没有任何的影响，则Q201输出电压U1=（1+R201/R202）Vret，则流过LED的电流大小=（电池电压—U1—LED压降）/R205，但电池电压在上下限范围的时候，LED的电流大小是由电池电压确定，电压大的LED就越亮。

14

当电池电压大于上限电压（1+R203/R204）Vret时，Q202的A-K间产生微导通，R201的电流、压降增大，Q201的采样端电压变大，Q201误以为R201变大了，由输出公式得：输出电压也变大，LED的电流变小或熄灭。（R201有调节LED变化率的作用）

当电池电压小于下限电压（1+R201/R202）Vret时，Q202对Q201没有影响，Q201是独立的，则Q201截止，通过LED的电流为零，LED熄灭。 结束语

通过制作太阳能手机充电器，可以唤醒人们对环境的珍惜，使用绿色能源保

护地球。在成本进一步降低的情况下，有可能可以投放市场大规模生产和使用。拉动消费。

在电路分析时必要尊从能量守恒定律，一切的电路都适合能量守恒定律，使用能量守恒定律电路就变得简单。无论分析什么事情时我都会考虑到能量守恒定律，因为他是一条通用的宇宙定律，值得推荐的一条定律！

图3-14 太阳能手机充电器实物

15

参考文献

[1] 秦昌胜.《qcs毕业论文》，百度文库，2002

http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/e1484f11a21614791711287c.html [2] 曹振萍 .《曹振萍的论文》，百度文库，2003

http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/77c446858762caaedd33d455.html

[3] 欧美接口 《欧美已采用microUSB作为手机充电器标准》，百度文库，2003 http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/ddeaf323a5e9856a561260df.html [4] 网友 《太阳能充电器使用说明书》，百度文库，2003

http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/d8a98db069dc5022aaea0056.html [5] 网友 《太阳能充电电路资料》，百度文库，2003

http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/d8a98db069dc5022aaea0056.html [6] 网友 《太阳能充电器(价格)》，百度文库，2003

http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/e1f5b4df5022aaea998f0f4d.html [7] 如韵电子，《太阳能充电器使用说明》，百度文库，2003 http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/e1f5b4df5022aaea998f0f4d.html [8] 王菊花，《王菊花毕业设计1》，百度文库，2003

http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/14439f313968011ca3009173.html [9] 电子技术论坛，《开关电源原理及应用》，百度文库，2003 http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/8347994b767f5acfa1c7cd52.html [10] 安森美公司，《TL431中文数据手册》，百度文库，2003 http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/b2da463231126edb6f1a10d7.html [11] 南京拓微集成电路有限公司，《TP8350数据手册》，百度文库，2003 忘记网址！

[12] AUK半导体公司，《S9013三极管数据手册》，百度文库，2003 http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/bdbcedfc0242a8956bece492.html [13] 日富科技,《太阳能充电器报价》，百度文库，2005

http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/355025d284254b35eefd3464.html

16

致 谢

本论文是在指导老师**老师的悉心指导下完成的，在繁忙的顶岗实习期间忙里抽空出来把论文完成，在论文完成的过程中，遇到了不少的困难，首先就是要对相关知识进行系统的了解和掌握，对于自己完全陌生且深奥的知识学习确实并非易事，但还是努力克服重重困难，完成论文的写作。

首先要感谢我的指导老师**老师。麦老师从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我们进行指导。给我提供了数据资料的来源和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。致以崇高的敬意和衷心的感谢！

同时感谢毕业设计的参考文档和百度文库和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。

17

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cjba.html