太阳能手机锂电池充电器

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【摘要】本研究通过对手机电池伏安特性的认识、对稳压模块的选择和对具有充电显示功能的DC-DC降压模块的设计，完成了所需性能的太阳能手机充电器。最终希望得到一个高效能的太阳能手机充电器，并使其在充电状态上有相应的表现。

【关键词】DC-DC降压模块;太阳能手机充电器;充电状态

1.课题背景

随着科技的快速发展，越来越多的资源得到了利用，太阳能――太阳光的辐射能量，已然成为一种巨大的干净可再生能源。目前各国已经开始争相开发并使用它，如何将太阳能转换为电能并对手机进行充电也就成为一个热门的小制作方向。我们需要设计一个合适的电路，基于手机电池的输入伏安特性，让它能够对手机电池进行高效率的充电，最后做出一个实物进行调试和各项参数的测试、评估。

2.模块说明

2.1 太阳能电池的原理

太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。也就是指半导体在光照时产生电动势的现象。具体而言就是，当光照射到PN结的一个面，有光伏发电时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场，最后建立一个与光照强度有关的电动势。

2.2 稳压模块

可供选择的芯片有XL6009/LT3757，本研究选择XL6009。

升级型号XL6009拥有足够技术含量，对比LT3757其强势在于：可以满足LT3757所有应用领域;大功率开关管内置;系统软启动功能内置，LT3757需要外置电容;环路频率补偿电容内置，LT3757必须外置阻容元器件;振荡频率内置，LT3757需要外接振荡阻;LT3757还需要外接采样电阻（由于功率管外置造成），外接内部供电电源的滤波电容。因此，XL6009同比LT3757性能提升，简单，系统设计方便灵活，芯片可靠性提高了，是一个非常优秀的高性价比方案。这个芯片可以实现大功率的升压，升降，正负转换;并且每种拓朴大功率输出时效率都比较高;由于功率管内置，系统性能 比LT3757好，可以解决我们目前升压，升降压针对供电电压方面的困扰，最高电压比LT3757还要强;XL6009来实现buck-boost的拓朴，随便输入5～40V，输出2.5～36V，最大电流能力视功率变换而定，没有任何电压方面的困扰了。

2.3 降压模块

三端集成稳压器与DC-DC电源模块的功能是相同的，即均用于直流-直流电压变换，但是这两种模块的变换原理及相关参数存在一定的差别，因此就导致其使用场合的不同。通过比较两者的优缺点：DC-DC电源模块具有电流及静态电流小、效率高的优点，但是输出纹波和开关噪音较大、成本相对较高;而三端稳压芯片具有提供大电流、噪声较小的优点，但是效率较前者低。本研究采用DC-DC电源模块。因为DC-DC电源模块既可以升压也可降压，而三端稳压芯片只能降压，如果是降压转换既可选择DC-DC电源模块也可选择三端稳压芯片，此时在成本、效率、噪声和性能上进行比较之后，DC-DC模块更优。

3.系统设计说明

3.1 功能要求

使用太阳能电池板，设计的充电电路，产生充电提示，一段时间后，电池电量有提升，保证对太阳能的利用。

3.2 性能指标

最后设计出来的输出的伏安特性符合电池输入的伏安特性曲线，相对于标准充电器4.2V的输出电压和350mA输出电流，安全角度下实验，在大电流充电过程中，充电电流大于100mA，转换效率高于70%，基准电压为3.9V。

3.3 电路原理图

由于太阳能电池板的输出受光照影响很大，所以不能直接将太阳能电池板与充电电路连接，我们将太阳能电池板通过一个稳压模块连接在充电显示电路上，通过充电电路给手机充电，框架如图1所示：

图1 电路原理框架图

太阳能电池板产生的电压通过稳压模块，得到5V的电压输出，再接入降压模块，得到3.7V的输出电压和相应亮灯状态，最后接入手机，进行充电。

3.4 充电显示电路设计电路图及原理

图2 充电显示电路原理图

充电显示电路的原理：

红灯作为上电提示，只要开始有5V电压输入这个模块它就会发光，代表整个模块开始了工作。下面我们分为两种情况来讨论这个模块的工作情况：

（1）锂电池充满了3.7V的电压：TL431AD在这里会有一个分压：R4分得2.5V的电压，R3的电压就为3.875V。U2A的同相输入端为3.7V，反向输入端为3.875V，输出为5V，U2B的同相输入端也为5V，由D1、R2、R6、R7进行的分压导致U2B的反向端输入为2.88V。U2B的输出为5V，给绿灯充电，绿灯亮;接下来，假设U2C稳定在了5V，R18、R19、R11可以给U2C分得一个同向输入端的电压为3.75V，反向输入端为4.3V，输出即为0V。然后，又可以由R11，、R12、R19分一次电压，这是U2C有一个新的同相输入端的电压，为1.25V，输出不变，黄灯灭。

（2）正在充电的情况了：U2A这里的反向输入端为3.875V，而由于锂电池未充满电，所以U2A的输出为0V。U2B的同相输入端就成为了0V，所以U2B的输出同样为0V，绿灯灭;假设这里是从充满电了开始在1M的电阻上开始从4.3V放电，当放到1.25V的时候，同向输入端和反向输入端有了一个临界点，继续放电输出会从0V变为5V。这个时候就相当于我们开始对1M的电阻和C2进行了充电，反向输入端电压增加，而同向输入端电压已经变为了3.75V。当反向输入端充电到3.75V的时候，输出端又变成了0V。如此反复下去。黄灯呈闪烁状态。

4.稳压模块的效率测试

测试条件：Vout=5V（通过调节变阻器控制输出） Vin=12V。测试工具：万用电表。

表1 稳压模块的效率测试表

负载电阻R 输出电流Iout 输入电流Iin 效率η=（VOUTIOUT）/（VINIIN）×100%

5 1.000A 0.499A 83.50%

10 0.500A 0.250A 83.33%

15 0.333A 0.165A 84.09%

20 0.250A 0.125A 83.33%

如表1所示，在不同的负载下，效率都可以维持在80%以上，满足了性能上一开始的设定要求。

5.结束语

5.1 课题工作总结

基本现象是：红灯做上电提示，当正在充电时，黄灯闪烁，绿灯灭;充满时，黄灯灭，绿灯亮。从测试数据来看，稳压模块在不同条件下的效率都达到了80%以上，符合要求。在大电流充电过程，电池电压上升，充电电流大约为103mA，且稳定，符合要大于100mA的要求，当电池电压接近3.8V时，充电电流开始下降，到3.9V时进入涓流充电状态，充电电流降为2mA，而此时电压开始稳定。符合电池的输入伏安特性。在转换效率上效率最高值即为充电电流开始急剧减小时电池电压临界值的时候，在充电电压为3.8V时，可以看到效率达到了58.10%，而且在大电流充电状态下，效率都是高于50%，符合要求。

5.2 问题和解决方向

此设计的电路性能稳定，但效率偏低，主要因为电阻的选择和发光二极管的损耗。由于成都的阳光不是特别充足，在选择太阳能板时虽然已尽力选到最好，但产生的电压值还是太小，因此以直流电压源为替代。最后，整个制作过大，实用性小，只能作为一个DIY作品，但如果将充电显示电路融入稳压/降压模块中就能解决此问题。

参考文献

[1]胡翔骏.电路分析（第2版）[M]北京：高等教育出版社，2007，1.

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第4版）[M]北京：高等教育出版社，2006.

[3]冯垛生.太阳能发电原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]黄锡坚.硅太阳电池及其应用[M].北京：中国铁道出版社，1985.

[5]李丽.模块式太阳能智能充电器的设计与分析[J].机电信息，2012.

基金项目：电子科技大学微电子与固体电子学院创新创业项目。

作者简介：崔雅菡（1993―），女，本科在读，研究方向：集成电路设计与集成系统。

通信作者：陈勇（1965―），男，博士，副教授，主要从事微电子器件及电路的教学及科研工作。