關于太陽能手機電池充電器的設計探究

曹艷

摘要：本論文針對太陽能手機電池充電器的設計進行探究。從太陽能充電的基本運行原理、技術開發(fā)情況、設計思路、電路設計這幾個方面進行了闡述

關鍵詞：太陽能；手機電池充電器；充電控制

中圖分類號：TK6 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）46-0065-02

工業(yè)發(fā)展使得人們的物質(zhì)基礎得以滿足，隨之而來的是因此而造成的生態(tài)環(huán)境破壞，人們也因此而付出了代價。自然資源被大量地消耗趨于枯竭，而與此同時環(huán)境污染日趨嚴重，直接危害到人的身心健康。由于太陽能是清潔能源，并不需要消耗任何燃料，也不需要使用機械動力驅(qū)動設備部件，更不會釋放出污染物而污染環(huán)境，維護上也較為便利，因此太陽能方面的研究頗多，且研究成果多用于發(fā)電領域。手機已經(jīng)成為人們的必備通信工具，手機電池充電如果將太陽能充分地利用起來，不僅充電方便，而且還有助于能源應用狀況的改善，對促進地球生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。

一、太陽能充電的基本運行原理

太陽能電池作為能源轉(zhuǎn)換裝置，是將太陽所釋放的光能轉(zhuǎn)換為電能，所采用的轉(zhuǎn)換原理是光生伏特效應或者光化學效應。從太陽能板的設計結(jié)構(gòu)來看，是以半導體硅作為主要材料而形成的一個大面積P-N結(jié)。

P-N結(jié)是通過氧化、光刻、摻雜、金屬化等半導體工藝將一片P/N型半導體襯底中的一部分區(qū)域變成N/P型而形成的一種最基本的半導體元器件，由于P、N型材料其內(nèi)部電子、空穴兩種載流子濃度的不均勻從而在內(nèi)部產(chǎn)生載流子的擴散運動，電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴由P區(qū)向N區(qū)運動，兩種載流子運動到對方區(qū)域的時候在交界面兩側(cè)就會碰到另一種載流子而發(fā)生復合，載流子的復合使得在P、N區(qū)交界面產(chǎn)生電場，我們稱為內(nèi)建電場，其電位差則稱為內(nèi)建電勢，載流子在內(nèi)建電場的作用下又會產(chǎn)生漂移運動，運動的方向和擴散運動方向相反，當擴散與漂移達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)，內(nèi)建電勢大小不再變化，這也就是為什么每個二極管都有一個開啟電壓。

當太陽光照射到P-N結(jié)上，P-N結(jié)吸收光子產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在內(nèi)建電場作用下向不同的方向運動，由于光生多子對載流子濃度影響非常小，所以只要研究光生少子的運動，如圖1所示，光生電子向N區(qū)運動，光生空穴向P區(qū)運動，光生少數(shù)載流子的累積產(chǎn)生了光生電壓，這就是光生伏特效應。太陽能電池就是利用光生伏特效應將太陽能轉(zhuǎn)換成了電能，將此能量直接提供給手機充電器或者存儲起來提供給手機充電器，即為太陽能手機充電器。

二、太陽能電池的技術開發(fā)情況

目前太陽能技術已經(jīng)滲入到各個應用領域中，不僅提高了供電效率，也給人們的生活帶來了諸多的便利。根據(jù)不同的需求，太陽能電池板按照使用材料的不同，可分為以下幾類。

第一類為硅太陽能電池，是以半導體硅為主要材料制作的，多選用高純單晶硅，以獲得良好的導電效果，但由于單晶硅成本高，現(xiàn)發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。

第二類為化合物太陽能電池，諸如銅銦硒、硫化鎘以及砷化鎵等，都是化合物太陽能電池所使用的主要材料。

第三類為有機薄膜太陽能電池，所采用的是一些功能高分子材料，根據(jù)太陽能電池在不同應用領域中所發(fā)揮的功能選擇相應的功能高分子材料制作。

第四類為納米晶太陽能電池，其研究開發(fā)尚屬起步階段，將會逐步走入市場。

其中硅太陽能電池中，能量轉(zhuǎn)化率較高的是單晶硅太陽能電池，技術研發(fā)成果亦較多，并在應用上得以普及。在硅太陽能電池的制作中，常采用PERC（鈍化發(fā)射極背面接觸技術）、表面織構(gòu)化技術和分區(qū)摻雜技術。與單晶硅電池相比較，以多晶硅為主要材料而研制的薄膜電池在應用領域的使用量較少。在太陽能電池生過程中所投入的成本也相對較低，可規(guī)?；a(chǎn)。非晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換率最高為10%。

三、太陽能手機電池充電器的設計思路

當手機用戶在戶外沒有220伏交流電源的時候，就可以采用太陽能手機電池充電器對手機電池進行充電。目前的手機電池以鋰電池居多，所以，太陽能手機電池充電器的設計是針對鋰電池充電的電路設計。當手機電池使用太陽能手機充電器進行充電的時候，不僅對鋰離子進行充電，還對鋰離子的蓄電池進行充電。如果陽光不夠充足，就需要使用鋰離子蓄電池進行充電。鋰離子的容量是非常大的，通常是普通手機電池的2.5—3倍之多，其本身不可以放電，所以，為了避免蓄電池放電而傷害到手機電池，就要在電路設計時注重保護電路的設計。

四、太陽能手機電池充電器的電路設計

1.穩(wěn)壓電源的前安裝DC/DC模塊。太陽能手機電池充電器的電路設計，主要是斬波電路，即穩(wěn)壓電源之前加DC/DC斬波模塊，通常用于便攜裝置或者移動裝置，安裝在筆記本電腦、移動電話中。DC/DC斬波模塊能夠在電池運行中對直流電壓進行大小調(diào)節(jié)。太陽能手機電池的充電器電路設計中，在穩(wěn)壓電源前安裝DC/DC模塊，可以對手機電池的直流電壓根據(jù)電能轉(zhuǎn)換需要進行調(diào)節(jié)，以對直流電壓起到穩(wěn)定作用。

2.太陽能手機電池充電器的穩(wěn)壓電路設計。（1）穩(wěn)壓電路設計的必要性。太陽能手機電池充電器的電路設計中，穩(wěn)壓電源的設計是不可或缺的。由于太陽能手機所采用的電源是基于模擬電子技術而實現(xiàn)的，要使手機運行中電流電壓穩(wěn)定，就要設計穩(wěn)壓電路以使電壓趨近于恒定。否則，在太陽能手機電池充電器運行的過程中，如果存在電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，就無法將其作為整體電路電源而使用。關于電路的設計，對電源供電的規(guī)定是要求電源為直流電源，且確保電壓穩(wěn)定。電路包含電源變壓器、穩(wěn)壓器、整流器和濾波器四個重要組成部分。其中的電源變壓器發(fā)揮著電壓轉(zhuǎn)換的作用，即將交流電網(wǎng)所輸出的220伏電壓調(diào)節(jié)為應用領域中所需要的電壓值。當調(diào)節(jié)后的電壓經(jīng)過整流電路后，原有的交流電會轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電，因此，需要使用濾波器將脈動的直流電壓中的波紋濾除，使直流電壓處于平滑狀態(tài)。但是，由于電壓對電網(wǎng)運行環(huán)境具有較高的敏感度，特別是當電網(wǎng)負載產(chǎn)生變化或者環(huán)境溫度發(fā)生變化的時候，就會影響到電壓的穩(wěn)定性。（2）DC/DC模塊的穩(wěn)壓效能。太陽能手機電池充電器的穩(wěn)壓電路設計所采用的是DC/DC模塊，且作為穩(wěn)壓電路中的一個重要組成部分，可以在確保輸出電壓不變的情況下，直流特性保持不變，極性也不會發(fā)生變化。當經(jīng)過DC/DC模塊而轉(zhuǎn)化的電壓值達到5伏的時候，就可以給手機電池充電了，而且能夠保持充電的穩(wěn)定性。（3）集成芯片7805的穩(wěn)壓效能。在太陽能手機電池充電器的穩(wěn)壓電路設計中，集成芯片7805作為核心部分，所發(fā)揮的效能是促使輸出電壓值穩(wěn)定在5伏。以集成芯片7805以及其外圍電路組合，形成穩(wěn)壓電路系統(tǒng)，使得輸出電壓穩(wěn)定，即便是存在波動，也是在規(guī)定范圍內(nèi)的小幅度波動，由此可以避免太陽能手機電池在接受充電的時候，不會由于接收的電流電壓不穩(wěn)定性而遭到損害。可見，對于手機電池而言，在太陽能手機電池充電器上要確保電壓是否穩(wěn)定是非常重要的。

3.太陽能手機電池充電器的電路充電設計?，F(xiàn)代的智能手機普及，多采用了鋰電池。鋰電池的環(huán)保度較高，不僅重量輕、體積小，而且電容量較大，且在充電的過程中無記憶效應。由于智能手機的功能多，電能消耗量也相對較大，鋰電池能夠滿足電池多次循環(huán)充放，而且電池的使用壽命不會受到影響。

太陽能手機電池充電器的電路設計所采用的控制器為51單片機，關于充電的控制量則要根據(jù)手機電池端口處所設定的電壓值加以確定。太陽能手機電池充電器對手機進行充電的時候，在電能信號的轉(zhuǎn)換上，51單片機對模擬電路中所獲取的控制量通過AD轉(zhuǎn)換器得以實現(xiàn)，同時，51單片機也會將所獲得的控制信號向模擬電路傳輸，使模擬電路有所動作。如果手機電池已經(jīng)充滿，51單片機就會檢測到，并將信號傳輸?shù)侥M電路中。此時，充電器對充電的控制所使用的是三極管，通常選擇2CS2481。當51單片機的一個端腳所出電壓值不在是穩(wěn)定的5伏，而是發(fā)生了變化，與其連接的三極管或者處于輸電截止狀態(tài)，或者處于輸電導通狀態(tài)。當太陽能手機電池充電器對手機進行充電的時候，電源或者被斷電，或者處于充電狀態(tài)。手機處于停止充電或者持續(xù)充電狀態(tài)，需要指示燈的顏色有所不同。

總結(jié)：

綜上所述，現(xiàn)在世界各個國家都開始啟動“拯救地球”戰(zhàn)略，以促進自然生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，其中新能源開發(fā)得到了普遍的重視，特別是太陽能的研發(fā)成果顯著，并逐漸地注入到應用領域中。太陽能手機電池充電器就是應用太陽能這種新型能源，不僅提高了手機電池的充電質(zhì)量，還提高了充電效率。

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