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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） 电子与信息工齿呈，教研室：通信工程学号 130405004 学生姓名 李天龙专业班级通信131开放实验（论 文）太阳能手机充电器设计题目开放实验(论文)任务设计要求：实现太阳能充电器设计，包括：1、了解能量采集原理；2、设计能量采集模块电路；3、购置太阳能板，实现手机充电功能；报告要求：1. 能够对原理及设计方案进行适当的说明;2. 按照给定的模板要求完成设计报告。指导教师评语及成绩
2、平时成绩（20%）： 论文成绩（50%）： 答辩成绩（30%）： 总成绩 ：学生签字：指导教师签字：第1章绪论11.1设计的目的11.2设计的意义11.3实际的背景1第2章 关于太阳能电池的简介22.1太阳能简介22.2太阳能电池结构22.3太阳能发电方式22.4太阳能电池板的应用3第3章 微弱能量采集原理53.1微弱能量采集原理的论述53.2微弱能量电能收集系统5第4章设计方案74.1基于BQ25504的方法及特性74.1.1支持高效DC/DC74.1.2电池状态输出74.1.3可编程动态最大功率点跟踪(MPPT)74.1.4应用范围74.2 BQ25504 的说明84.3 BQ25504能
3、量采集电路94.4按键和电源方面114.5过充保护14第5章总结15参考文献16附录17i.i设计的目的本充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，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
4、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
5、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。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
6、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，神化镓，硒钢铜等。它们 的发电原理基本相同，现以品体硅为例描述光发电过程。P型品体硅经过掺杂 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
7、电能的过程。太阳光照在半导体P-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，一种是光一热一电转换方式，另 一种是光一电直接转换方式。（1）光一热一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
8、热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光一热转换过程；后一个过程是热一电转换过程，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，产生电流。当许多个电池串联
9、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 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。图2.1半导体P型与N型交界面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于空间技术一一通信卫星供 电，上世纪末，在人类不断自我反省的过
10、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 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。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
11、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一无 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、电容等储能装置中以满足器件的需 求。3.2微弱能量电能收集系统图3.1测试原理示意图由于该充电器的核心为直流电源变换器，它从一直
12、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E s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=0.1Q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
13、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/DC1. 从低输入源持续能量采集:VIN N 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 N 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）
14、热电生成器（TEG）采集4）无线传感器网络（WSN）5）工业监测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
15、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VIN = 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全器件的功率 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）。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
16、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
17、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DC-DC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
18、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。开放实验（论文）接口说明J1-VINInput Source (+)J1-GNDInput Source Return (-)J2-BATBattery connection (+)J2- GNDBattery Connection Return (-)J3 - V
19、INInput Source Sense (+) for J1J3 - GNDInput Source Return Sense (-) for J1J4 - BAT_OKBattery Status Indicator (+)J4 - GNDBattery Status Indicator Return (-)J5 - STORCharger Output (+)J5 - GNDCharger Output Return (-)J6 - STORCharger Output Sense (+)J6 - BATBattery Connection Sense (+) for J2J6 - GN
20、DBattery Connection Sense (-) for J2表4.2接口说明太阳能电池板是一种光电传感器，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
21、个部分进行介绍。 基准电压Vref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= 2.5x(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VD4压降的和约为3.2V(假
22、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的发射极一集电极压 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，
23、 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
24、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输出的影响一
25、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，指示电池充电正常；VD5不亮。小电流充电当充电一段时间后，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
26、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 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：图4.6充电饱和指示电路虽然，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，直至逐渐充电趋近零一一即使饱和 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
27、，指示电源正常；VD3不亮；VD5点亮（饱和指示，小电流充电）。IC1-4的用途从上面2、3内容的分析中可以看出，无论电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 点亮一显然不合适!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
28、-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 影响电池寿命，在电路中加入了过充保护电
29、路。在此设计中运用电阻R17和二极 管VD6及充电显示电路构成过充保护电路。其图如下：第5章总结通过开放实验，我加深了对课本理论知识的理解，完成了太阳能手机充电 器设计设计与制作。学习过程中让我不断充实自己，此次课程设计锻炼了自己 的学习能力并暴露出了自己的不足之处，今后应再接再厉继续前进。通过该课程设计，也增强了自己分析问题解决问题的能力，加强了理论与实 际相结合的能力，提高了实践动手能力，为将来从事通信方面的科研、生产工作 打下了一定基础，为适应现代信息科学技术发展提供了支撑。在此也一并感谢曹老师的指导！他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益 求精的工作作风，深深地感染和激励着我。本文还参
30、考了一些文献资料，还有百度搜索引擎，以及热心的网友，感谢你 们热心的帮忙。求学历程是艰苦的，但又是快乐的。在这几周中结识的各位生活 和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此，也对你们表示衷心感谢。参考文献1 朱永金.电工技术基础.北京市：北京理工大学出版社，2008, 62 滨川圭弘.太阳能光伏电池及其应用M.北京科学出版社，20083 周良权，傅恩锡，李世鑫.模拟电子技术基础.北京市：高等教育出版社，2009,64 陈振官，光电子电路及制作实例，国防工业出版社，2008, 65 张瑾，张伟，张立宝.电路设计与制版Protel 99SE.北京市：人民 邮电局出版社，2008，66 崔容强，喜文华，魏一康等.太阳能光伏发电J.太阳能， 2004(4):72-767 朱小同，赵桂先.蓄电池快速充电的原理与实践M.北京：煤炭工业出 版社，20038 周林，武剑，栗秋华等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述J.高电压技术，2008，34(6):1145-11549 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用M.北京:科学出 版社，200510 欧阳名三，余世杰，沈玉梁.一种太阳能电池MPPT控制器实现及测试 方法的研究J.电子测量与仪器学报，2004，18(2):121-135附录实物电路图
