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

工業發展使得人們的物質基礎得以滿足，隨之而來的是因此而造成的生態環境破壞，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動設備部件，更不會釋放出污染物而污染環境，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電領域。手機已經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，對促進地球生態環境的可持續發展具有重大的意義。

一、太陽能充電的基本運行原理

太陽能電池作為能源轉換裝置，是將太陽所釋放的光能轉換為電能，所采用的轉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構來看，是以半導體硅作為主要材料而形成的一個大面積P-N結。

P-N結是通過氧化、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型材料其內部電子、空穴兩種載流子濃度的不均勻從而在內部產生載流子的擴散運動，電子由N區向P區運動，而空穴由P區向N區運動，兩種載流子運動到對方區域的時候在交界面兩側就會碰到另一種載流子而發生復合，載流子的復合使得在P、N區交界面產生電場，我們稱為內建電場，其電位差則稱為內建電勢，載流子在內建電場的作用下又會產生漂移運動，運動的方向和擴散運動方向相反，當擴散與漂移達到動態平衡，形成PN結，內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結上，P-N結吸收光子產生光生載流子，光生載流子在內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區運動，光生空穴向P區運動，光生少數載流子的累積產生了光生電壓，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情況

目前太陽能技術已經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，現發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，根據太陽能電池在不同應用領域中所發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，能量轉化率較高的是單晶硅太陽能電池，技術研發成果亦較多，并在應用上得以普及。在硅太陽能電池的制作中，常采用PERC（鈍化發射極背面接觸技術）、表面織構化技術和分區摻雜技術。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，可規模化生產。非晶硅薄膜太陽能電池的轉換率最高為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節。太陽能手機電池的充電器電路設計中，在穩壓電源前安裝DC/DC模塊，可以對手機電池的直流電壓根據電能轉換需要進行調節，以對直流電壓起到穩定作用。

2.太陽能手機電池充電器的穩壓電路設計。（1）穩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的，要使手機運行中電流電壓穩定，就要設計穩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，如果存在電壓不穩定的現象，就無法將其作為整體電路電源而使用。關于電路的設計，對電源供電的規定是要求電源為直流電源，且確保電壓穩定。電路包含電源變壓器、穩壓器、整流器和濾波器四個重要組成部分。其中的電源變壓器發揮著電壓轉換的作用，即將交流電網所輸出的220伏電壓調節為應用領域中所需要的電壓值。當調節后的電壓經過整流電路后，原有的交流電會轉變為脈動的直流電，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。但是，由于電壓對電網運行環境具有較高的敏感度，特別是當電網負載產生變化或者環境溫度發生變化的時候，就會影響到電壓的穩定性。（2）DC/DC模塊的穩壓效能。太陽能手機電池充電器的穩壓電路設計所采用的是DC/DC模塊，且作為穩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，極性也不會發生變化。當經過DC/DC模塊而轉化的電壓值達到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定性。（3）集成芯片7805的穩壓效能。在太陽能手機電池充電器的穩壓電路設計中，集成芯片7805作為核心部分，所發揮的效能是促使輸出電壓值穩定在5伏。以集成芯片7805以及其外圍電路組合，形成穩壓電路系統，使得輸出電壓穩定，即便是存在波動，也是在規定范圍內的小幅度波動，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。現代的智能手機普及，多采用了鋰電池。鋰電池的環保度較高，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，在電能信號的轉換上，51單片機對模擬電路中所獲取的控制量通過AD轉換器得以實現，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。如果手機電池已經充滿，51單片機就會檢測到，并將信號傳輸到模擬電路中。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定的5伏，而是發生了變化，與其連接的三極管或者處于輸電截止狀態，或者處于輸電導通狀態。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。手機處于停止充電或者持續充電狀態，需要指示燈的顏色有所不同。

總結：

綜上所述，現在世界各個國家都開始啟動“拯救地球”戰略，以促進自然生態環境的可持續發展，其中新能源開發得到了普遍的重視，特別是太陽能的研發成果顯著，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量，還提高了充電效率。

參考文獻：

[1]張東虞，曹衛彬，李軍.基于單片機控制的太陽能手機充電器設計研究[J].企業技術開發，2014，33（22）：38-39.

[2]張朝民，滕宇，徐卓超.太陽能手機充電器的研究與設計[J].數字技術與應用，2011，（03）：92-93.