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1、本科毕业论文（设计）题 目:太阳能手机充电器的设计学 生：学号：学 院：专业：电子入学时间：年月日指导教师：职称：完成日期：年月日诚信承诺我谨在此承诺:本人所写的毕业论文太阳能手机充电器的设计 均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料， 均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）:年 月太阳能手机充电器的设计姓名： 学号：摘要：设计一种太阳能转化为电能的手机充电装置，将光伏能量通过DC/DC变换电路处理后，输出 电压稳定的直流电压，为负载供电，系统采用光电耦合器进行过压保护，避免电池过度充电。关键词：太阳能；反激变换器；直流变换器；光电耦合器The design o
2、f the solar mobile chargerAbstract:This paper is going to design a mobile phone charging device that turns solar energy into electricity.After turning the photovoltaic energy into electricity with DC/DC conversion circuit , the output voltage will be stable DC power supply for loading power supply,.
3、The system adopts photoelectric coupler for over-voltage protection, in order to avoiding excessive charging battery.Key word:Solar energy The flyback converter Dc converter The photoelectric coupler1绪论11.1课题研究背景 11.2课题研究目的与意义 11.3课题研究思路12太阳能手机充电器硬件设计 12.1系统总体设计方案 12.2太阳能接收22.2.1太阳能电池工作原理 22.2.2太阳能电
4、池等效电路和输出功率32.2.2.1等效电路 32.2.2.2输出功率 32.2.3太阳能电池模块设计42.3直流变换电路设计 52.3.1自激反激变换器52.3.1.1工作原理62.3.1.2工作模式62.3.1.4反激变换器模块设计 132.3.2整流电路设计142.3.2.1整流的定义 142.3.2.2整流的原理 142.3.2.3整流电路模块设计 152.3.3滤波电路设计152.3.3.1滤波的定义 152.3.3.2滤波电路模块的设计 162.4控制电路设计162.4.1 615 管脚图162.4.2 615工作原理 162.4.3控制电路模块设计173硬件测试174结束语17参
5、考文献：18附录A太阳能手机充电器电路原理图 18附录B太阳能手机充电器PCB图 19附录C元器件清单 19致谢201绪论1.1课题研究背景目前市场上的太阳能电池能够智能充电，储存电量。可谓功能丰富。但是与之相 呼应的是不费的价格。这就形成了普及太阳能充电的壁垒。为此，本课题研究一款低 成本太阳能充电装置。本装置采用自激反激变换器。其优势是只要少量的元件就能得 到稳定的电压输出，在实现太阳能利用的同时，极大地压缩了成本，易于生产。1.2课题研究目的与意义现在的手机都是大屏触控，耗电量大，人们在使用过程中常常受到电量不足的困 扰而四处寻找插座，但是如果是在没有插座的地方，例如户外，那么手机就可能
6、成为 通讯盲点。针对这个问题，本课题开发了一种太阳能手机充电器，它既能使手机拜托 对市电的依赖，使通讯自由，又能为生活带来便利。1.3课题研究思路本课题研究的手机充电器的电能输入是太阳能电池的光能转换而来，经过直流变 换电路变换电压及稳压，然后输出，为手机充电。本课题采用自激式反激变换器作为 DC/DC直流电压变换电路的主要电路，因其是由较少的器件组成的高效电路。因为控 制电路及元器件在工作时不出错，所以电路器件的价格总体上很便宜，适合大规模推 广。2太阳能手机充电器硬件设计2.1系统总体设计方案每天在不同的时间，阳光的强度是不同，再加上高的太阳能电池内部电阻，导致 太阳能电池输出电压不稳定。
7、太阳能电池的电压需通过DC/DC变换电路的变换后才能 输出给手机电池，同时需要控制电路将电路输出电压反馈给变换电路，稳定输出电压， 实现对手机电池方便快捷、没有潜在隐患地充电。太阳能电池板DC/DC变换电路控制电路手机电池图2-1系统总体设计方案DC/DC变换电路的功能包括滤波、变压、整流、滤波。控制电路功能为利用光电 耦合器经行过压保护，防止电池过充。2.2太阳能接收国际上，不可再生能源趋于紧张，太阳能作为可再生清洁能源，受到广泛关注与利用，其中最普遍的莫过于日常生活中的太阳能电池。太阳能电池所产生的电流来自 于其半导体材料的光电效应，该材料能利用太阳光进行光电转换，然后产生电流。太阳光线N
8、型硅上电极图2-2太阳能接收原理图2.2.1太阳能电池工作原理太阳能电池基于半导体PN结的光伏效应发挥作用。半导体吸收光能，若吸收的能 量比硅禁带宽大，则光子穿过减反射膜进入硅中，并激发出载流子对（电子空穴对）。耗尽区：生成载流子对后，受到电场驱动，N区吸收电子，P区接收空穴。而耗尽 区的几乎没有电子和空穴，它们浓度差不多是零。在N区中：生成载流子对后，电子仙区。空穴发生扩散，向PN结处运动，到达后 受电场驱动，发生漂移运动，进入?区。在P区中：生成载流子对后，空穴佃区。电子发生扩散，向PN结处运动，到达后 受电场驱动，发生漂移运动，进入N区。P区N区。0。O o Oo海霜。00OOOoqOo
9、 00Ko：ooooIo11 1 内建电场e七生电场图2-4光伏效应1. 光电场削弱了势垒电场，又使得空穴在P区，电子在N区，在这个2个区之间形 成了电动势，这就是光伏效应。而太阳能电池的功率输出就是光电流从P区留到N区。2. 晶体硅电池PN结的端电压通常是0.50.6,这就是电池开路电压。3. 如果PN结两端短路，就产生短路电流Isc，Isc正比于入射光的能量。2.2.2太阳能电池等效电路和输出功率2.2.2.1等效电路以下将用一个等效电路来模拟电池和负载，以阐明太阳能电池的工作原理0 1啊:11JI考虑串联电阻图2-5 P-N同质结太阳能电池等效电路1. 恒流源：在恒定的光的照射下，太阳能
10、电池运转时，电流不随电路工作状态的 改变而发生变化，可以当它是一个恒流源。2. 暗电流：光电流促成负载电压形成的同时，令PN结正偏，产生一股电流，此电 流和光电流方向相反，称为暗电流。3. 串联电阻RS：由于材料的电阻率，而且前后电极接触，所以基极和顶层会引入 附加电阻。当电流经过基区和顶层时，会产生损耗。可用串联电阻来模拟。4. 并联电阻RSh :电池本身存在漏电，包括金属桥和边沿。这些可用并联电阻来 模拟。2.2.2.2输出功率负载电流是I，负载电压是U时，即:I(R + RLI = I -1 -1 = I -I (eq(U-IR)/AkT-1)rshU=IRL _ I(R + R) _
11、I(R + R)_P=IU =I -1 (eq(U-IR/AkT) -1)-L-U=I -I (eq(u-IRS)/AkT-1) HslRL 0RL 0R L式子里的P是有光时的负载输出功率。负载愈大，则输出电压愈大，而输出电流愈小。于是就能得出太阳能电池的负载 特性曲线。工作点即图上各点，图上的工作点和原点的连线就是负载线，斜率的倒数 即负载Rl，而工作电压和电流构成工作点的坐标。图2-6太阳能电池的负载特性曲线负载电阻为Rm时，对应曲线上的工作点即M，对应工作功率最大，即：Pm=ImUm 此时，我们称M点是太阳能电池的最佳工作点，对应的电流、电压最恰当，Rm是最 恰当的阻值，Pm是最大功率
12、。2.2.3太阳能电池模块设计图2-7本课题所选用的太阳能电池板正面图2-8本课题所选用的太阳能电池板背面上图所示为本课题所选用的太阳能电池板。该电池为A级多晶硅太阳能电池板， 功率为2W。其空载输出电压峰值为9V,输出电流为220mA。尺寸为135*125mm。理论 使用年限为20-25年。本课题研究的充电装置额定为12DC输入，故选用2块太阳能电池板串联连接， 用于输入。2.3直流变换电路设计图2-9直流变换电路设计直流变换电路的设计模块如上图所示。在本课题中，自激式反激变换器将实现逆 变和变压的功能。这是因为自激反激变换器本身就为就含有自激振荡电路，其作用便 可将直流输入电压变为高频交流
13、电压，实现逆变功能。其次，自激反激变换器含有变 压器，具有变压作用的同时，还充当储存能量的扼流圈。整流通过整流电路处理，滤 波通过滤波电路处理。2.3.1自激反激变换器自激反激变换器作为高效率电路，其需要的元件较少，当前广泛应用于小功率电 路。由于控制电路仅需要少量的元器件就能正常工作，所以电路的成本比普通的PWM 反激逆变器要低很多。自激反激变换器在它的工作电流过高时会出现间歇振荡，会在 大范围内改变电路的振荡周期；自激式反激变换器的输出功率很小，能对间歇振荡加 以利用，让开关电路在低能耗状态下工作。2.3.1.1工作原理图2-10充电装置原理图输入电压DC通过启动电阻R1给功率开关管VT1
14、的B极一个较小的偏流，令开关 管导通。感应电压经开关三极管的C极电流Ic通过变压器的初、次级绕组形成，并 且通过电容C2、电阻R3反馈到开关三极管VT1的B极，令开关三极管VT1很快地饱 和。电容C2被正反馈电流供电。电容C2充电电压的渐渐升高，给功率开关管VT1 的B极注入的电流逐渐减小，但由于功率开关管处于深度饱和状态，B极电流不能控 制C极电流，所以功率开关管VT1将维持饱和导通状态。当开关三极管VT1的B极电 流降低到一定程度，三极管VT1将退到放大区，C极电流随B极电流的减小而减小， 此时功率开关管VT1初级、次级感应电压的极性发生便颠倒，使B极电流再次下降， 导致开关三极管VT1很
15、快地关断。当变压器次级感应电压的极性翻转，便对电容C2 反向充电，功率开关管VT1的B极电位随电容C2下端充电电压的升高而升高，当升 高到一定程度时，开关三极管再次开通。就这样不断循环，形成振荡。功率开关管饱和导通时，电源变压器T1通过绕组Np存储磁场能量；开关管截止 时，负载获得初级绕组存储的能量，感应电动势由次级绕组Ns形成，经过整流滤波 后输出。2.3.1.2工作模式图2-11自激式反激变换器等效电路反激变换器拥有3种工作状态：连续状态、不连续状态以及临界状态。(1) 次级绕组电流临界状态反激变压器工作时，三极管一开通，能量在初级绕组开始存储，初级绕组发挥扼 流圈的作用；三极管一关断，初级存储的能量释放给负载。当三极管关断所用的时间
