太阳能手机移动充电器设计论文

太阳能手机移动充电器设计 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 学科分类号 题目(中文): (英文): 学生姓名: 学 号: 系 别: 专 业: 指导教师: 起止日期: 年 月 日 5 怀化学院本科 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 (设计)诚信声明 作者郑重声明:所呈交的本科毕业论文(设计)，是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。本声明的法律结果由作者承担。 本科毕业论文(设计)作者签名: 年 月 日 6 目录 摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„? 关键词„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„? Abstract„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„? Key words„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„? 1 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.1 本课题研究背景........................................... 1 1.2 本课题研究目的与意义..................................... 1 1.3 本课题研究的总体思路..................................... 1 1.4 本课题研究的主要任务..................................... 2 2 太阳能电池的研究和分析 ........................................ 2 2.1 太阳能电池的原理......................................... 2 2.2 太阳能电池的等效电路..................................... 4 2.3 太阳能电池板的输出特性及影响因素......................... 5 2.3.1太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响.............. 6 2.3.2温度对光伏电池输出特性的影响........................ 7 2.4本系统所采用的光伏电池 ................................... 8 3 太阳能充电器硬件设计 .......................................... 8 3.1 系统总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ......................................... 8 3.2升压电路设计 ............................................. 8 3.2.1 BQ25505芯片介绍.................................... 8 3.2.2 升压模块设计 ...................................... 12 3.3 电池管理电路设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 3.3.1 CN3083芯片介绍„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 3.3.2 电源管理模块设计„„„„„„„„„„„„„„„„ 17 4 电路测试 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 5 结论与展望 ................................................... 23 致 谢 .......................................................... 23 参考文献 ....................................................... 23 附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 7 附录 1电路原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 附录 2电路PCB图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 附录 3元器件清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 附录 4实物图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28 8 太阳能手机移动充电器 , 摘 要 目前对太阳能利用主要体现在两方面:光热转换与光电转换，本文利用太阳能光电 转换特性，设计了一种在没有电源的情况下也能随时随地给各种移动设备充电的便携式 太阳能充电器。 本文的设计是通过太阳板进行光电转换产生电能，通过可以拾取小信号的升压电路 来弥补电池板输出电压不足，经过电池管理电路防止电池的过充过放充分保护电池达到 高效率，低功耗充电智能化的效果。升压电路的设计利用了TI公司具有超低功耗，高 效直流/直流升压的BQ25505，只要在大于300mV的电压下冷启动就能在输入电压低至 100mV时持续能量采集，可编程最大功率点跟踪。电池管理电路的核心是利用了CN3083， 能根据输入电压源的电流输出能力自动调节充电电流，采用恒流/恒压/恒温模式充电， 电源掉电时自动进入低功耗睡眠模式。能持续稳定的给用户供电，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。 , 关键词 太阳能;电池管理;变换器 , Abstract At present the use of solar energy is mainly embodied in two aspects: the sunlight transformation and photoelectric, this paper, by using solar photoelectric characteristics, design a way that there is no power, it can also charger for various mobile anywhere at any time. The design of this paper is through the solar photovoltaic panels board of photovoltaic conversion generate electricity, and booster circuit which can pick up small signal to compensate output voltage for the panel, after the battery management circuit to prevent the battery overcharge excessive discharge fully protect the battery to achieve high efficiency, low power consumption intelligent charging effect. The design takes BQ25505 produced by TI as boosted circuit, with ultra-low power consumption, high performance DC / DC boost. as long as under the voltage of the greater than 300 mV, cold start can sustained energy harvesting and programmable maximum power point tracking at low input voltage to 100 mV. Battery management circuit core is to use the CN3083, the I chip can automatically adjust the charging current according to the current output capacity of the input voltage, Using constant current/constant voltage/constant temperature mode to charging , it can automatically into low power sleep mode when power off. It can supply continuous and stable power to users, brings great convenience to your life. It can saves energy, and easy to use, is the essentials of home travel. , Key words Solar energy;Battery management; Converter II 1 绪论 , 1.1 本课题研究背景 随着电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，减少不可再生资源的消耗和环境污染，缓解能源压力，而且太阳能居家旅行使用方便，经济实用，光能开发势必会成为经济发展的新动力。 太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。 目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。而且随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，可为人类未来大规模地 [1]利用太阳能开辟广阔的前景。 , 1.2 本课题研究目的与意义 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，使手机变成了信息交流的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。为了解决这样的问题，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。 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。 , 1.3 本课题研究的总体思路 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变换电路处理后能提取300mv的电压，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， 1 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构和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，它的特殊之处除了能源的供应来自太阳能电池板外，充分利用升压电路的智能性，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，能把超低电压提升生到可充电电压为手机充电，光线足够强时，提取最大电流为手机充电，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。这种便捷的太阳能充电器几乎可以在任何地方补充电力，从而获得通信的自由。 , 1.4 本课题研究的主要任务 结合系统设计的总体思路和任务要求，我设计了一种基于低功耗的太阳能手机充电器，设计的主要任务有: 1 设计一个太阳能手机移动充电器 2 体积小，携带方便 硬件设计:升压模块设计，电池管理模块设计，太阳能手机充电器电路原理图设计。 设计要求: 1 利用最大输出为5V的太阳能电池板为系统提供能量 2 具有低功耗，高效率 3 有状态指示灯 4 能智能的为电池充电 , 2 太阳能电池的研究和分析 , 2.1 太阳能电池的原理 太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子——空穴对。这样，光能就以产生电子——空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体P-N结，光伏效应 2 更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。 图2-1 掺入硼原子的硅晶体结构图(P型) 图2-2 掺入磷原子的硅晶体结构图(N型) 太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面(图2-3)两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。图2-1所示为P型区结构图，图2-2所示为N型区结构图。 3 图2-3半导体P型与N型交界 另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光 [6]的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率。 , 2.2 太阳能电池的等效电路 光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受 的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图2-4表示的等效电路来考虑。 图2-4 理想状态的太阳能电池等效电路图 -5 实际光伏电池等效电路 图2 在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式， 4 可由下式给出。太阳能 ,,qV，， (2.1) I,I,Iexp,1,,LO,,nKT，，,, 当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压 ,,IkTL,, (2.2) V,ln，1,,qIO,, 其中I为电池单元输出电流;I为PN结电流(A);I为二极管的反向饱和电LO -19流(A);V为外加电压(V);q是单位电荷(1.6×10K库仑);K是玻耳兹曼常数 -23(1.38×10J/K);T是绝对温度(T=t+273K);n为二极管指数。 但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻R来表示。同时，由于电池边沿的漏电，S 在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻R来等效表示。此时的等效电路可根据图2-5SH 来描述，其伏安特性可由(2.3)式给出。 ,,qV，RIV，RI，，，，ssI,I,Iexp,1, (2.3) ,,LO,,nKTR，，,,sh 此式叫做光伏电池的超越方程式。 , 2.3 太阳能电池板的输出特性及影响因素 光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。光伏电池的几个重要技术: ? 短路电流ISC:在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 ? 开路电压VCC:在给定日照强度和温度下的最大输出电压。 ? 最大功率点电流(IM):在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。 ? 最大功率点电压(VSC):在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 ? 最大输出功率(PM):在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率 PmFF,? 填充因子 (2.4) V,IOCSC 5 ? 光伏电池的转换效率:输出功率PM与阳光投射到电池表面上的功率PS之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率η， ,,,,PPMPPTMS 以上各个参数可以在图2-6中表示如下 I SC PM I MI V OMOCV 图2-6 太阳能电池的I-V特性关系曲线 图2-6中，在I-V曲线上总可以找到一个工作点，此点处的输出功率最大，V 此点就是最大功率点(MPPT)，即图中M点。M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。原 ，即可得到该电池的最佳工作点IM，VM，从则上讲，可对输出功率求导使其为0 而求出最大输出功率:PM=IM×VM。但是要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式(2.3)可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。图2-6可表示太阳能电池的P-V曲线。 从图2-6可见，IM和VM的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。如果在一定光照下的I-V特性曲线是理想的矩形，那么IM和VM乘积就等于ISC和VCC的乘积。对实际光电池，引人填充因子FF(Fill factor)概念来表征光电池的这一特性，FF定义为式(2-4)。它表示最大输出功率的值所占的以VCC和ISC为边长的矩形面积的百分比，填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。它的值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。 , 2.3.1太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 图2-7、图2-8分别是太阳能电池阵列在温度为25?时，不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图2-7可知，太阳能电池阵 6 列的输出短路电流(ISC)和最大功率点电流(IM)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式(2.3)中ISC强烈地控制着I的大小。虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，如图2-8中虚线与各实线的交点所示。 I(A)P(W)2,S1000/2m1000/m,S02.1000o50C58001. o60025Co0C01.o40025Co0C50.o20050C U(V)U(V)200100300500100200300400500600600400 图2-7 不同日照下的I-V关系曲线图 图2-8 不同日照下的P-V曲线图 , 2.3.2温度对光伏电池输出特性的影响 2图2-9，图2-10分别给出了太阳能电池阵列在日照射为1000W/m，和在变化温度(T)的情况下，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图2-10中各实线的波峰的幅值变化。 P(W)I(A)2S,1000W/m1000W20.1000800W2,S800W/m51.800600W2,600W/mS600400W102,.S400W/m200W4002S,200W/m05.200 UVUV，，，，OO100200300400500100200300400500 图2-9 不同温度下的I-V特性曲线 图2-10 不同温度下的P-V特性曲线 综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点: ? 太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源; ? 开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比;太阳 7 能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化; ? 输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点(MPP， [8]Maximum Power Point)，且随着外界环境的变化而变化。 , 2.4本系统所采用的光伏电池 太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的核心部分，其功能是将太阳光的辐射能量转化为电能，如今的便携式数码设备种类较多，所需电压电流不等，对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，而这又给携带带来不便。因此该设计采用模块式组合，根据不同充电负载的需要，将太阳能板进行组合以达到具有一定要求的输出功率和输出电压的一组光伏电池。本文以手机等常用小功率用电设备为例，说明其太阳能充电器的设计过程。所选用的太阳能电池板技术参数指标如下: 尺寸125mm×63mm×3mm，峰值电压5V，峰值电流120mA，标称功率0.96W。考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等，应采用2块相同参数电池板进行并联。电池板的理想输出电压最大值为5V,电流最大可达240mA，总标称功率为2W左右,但是根据现实的阳光照射情况，实际输出并没有这么大，随阳光照射的情况变化而变化。 , 3 太阳能充电器硬件设计 , 3.1 系统总体设计方案 太阳能升压模块电池管理 电池板 电池接口 (BQ25505) (CN3083) 图3.1 系统总体设计方案 , 3.2升压电路设计 , 3.2.1 BQ25505芯片介绍 BQ25505是支持电池管理和针对能量采集器应用中主电池的自主电源复用器的超低功耗升压充电器。 特性: • 超低功耗， 具有高效直流/直流升压充电器 – 冷启动电压:VIN ? 330mV 8 – 能够在 VIN 低至 100mV 时持续能量采集 – 325nA 的超低静态电流 – 输入电压稳压防止高阻抗输入源故障 – 电池电流< 5nA 的运输节电模式 • 储能 – 可将能量存储在可再充电锂离子电池、薄膜电池、超大电容器或传统电容器中 • 电池充电和保护 – 内部设定欠压电平 – 用户可编程过压电平 • 电池正常输出标志 – 可编程阀值和滞后 – 功率损耗待定的随附报警功能的微控制器 – 可被用来启用/禁用系统负载 • 可编程最大功率点跟踪 (MPPT) – 实现从多种能量采集器中最优能量提取的集成MPPT • 针对主(非可再充电)和副(可再充电)储能元件 复用的栅极驱动器 – 基于 VBAT_OK 的自主开关 – 先开后合防止系统电源轨减弱 应用范围: • 能量采集 • 太阳能充电器 • 热电发电机 (TEG) 能量采集 • 无线传感器网络 (WSN) • 工业监控 • 环境监测 • 桥梁和结构健康监测 (SHM) • 智能楼宇控制 • 便携式和可佩戴式健康器件 • 娱乐系统遥控 9 说明 bq25505 是全新智能化集成能量采集超低功耗管理解决方案新系列中的第一个，这些解决方案十分适合满足超低功耗应用的特殊需求。本产品专门设计用于高效获取和管理从诸如光伏(太阳能)或热电发生器(TEG) 等多种不同直流源产生的微瓦(μW) 至毫瓦(mW) 级的电能。bq25505 是一款高效升压充电器，此充电器针对诸如具有严格的电源和工作要求的无线传感器网络(WSN) 等产品和系统。bq25505 的设计始于只需要微瓦电力即可开始工作的直流到直流升压转换器/充电器。 一旦启动，升压充电器能够有效地从诸如TEG 或单节或双节太阳能电池板的低压输出采集器中提取能量。升压充电器能够在VIN 低至330mV 时启动，并且一旦启动，能够在VIN 低至100mV 时继续采集能量。 bq25505 执行一个可编程最大功率点跟踪(MPPT) 采样网络来优化进入器件的功率传输。VIN_DC 开环路电压的采样由外部电阻器设定，并且采样电压由一个外部电容器保存。例如，太阳能电池运行在它们开环路电压最大功率点(MPP) 的80%，电阻分压器可被设定为VIN_DC 电压的80%，并且此网络将控制VIN_DC 在采样的基准电压附近运行。或者，可通过一个微控制器(MCU) 来提供一个外部基准电压来产生一个更加复杂的MPPT 算法。 bq25505 的设计具有灵活性以支持多种储能元件。能量采集器提取能量的能量源往往是不固定的，或者随时间变化的。通常情况下，系统将需要某些类型的储能元件，例如一个可再充电电池、超大电容器或传统电容器。储能元件将在系统需要时使特定的恒定功率可用。储能元件也使得系统能够处理任何无法直接来自输入源的峰值电流。为了防止对储能元件造成损害，参照内部设定欠压(UV) 和用户可编程过压(OV) 电平来监视最大和最小电压。 为了帮助用户进一步严格管理他们的能耗预算，当储能电池或电容器上的电压已经下降到低于一个预先设定的临界电平以下时，bq25505 切换电池正常标志来向一个连接的微控制器发出一个信号。这样应该使负载电流减少，以防止系统进入一个欠压状态。OV 和电池正常阀值被单独设定。 除了升压充电前端，bq25505 为系统提供一个自主电源复用器栅极驱动。为了将一个单电源轨提供给系统负载，此栅极驱动器能够实现两个储能元件自主复用。这个复用器基于VBAT_OK 阀值，用户可通过电阻器来设定此阀值。这使得用户能够在系统由能量采集器储能元件供电时设定电平，例如，由可再充电电池或 10 超大电容器或一个主要非可再充电电池(例如，两节AA 电池)供电时。这个混合系统架构类型可根据采集器上可用能量来延长一个典型电池供电类系统的运行时间。如果由于延长的“黑暗时间”而导致没有足够的能量来运行系统，主电池在8μs 内被自主切换到主系统电源轨以提供不间断运行。 bq25505的全部功能被封装在一个小尺寸20 引线3.5mm x 3.5mm四方扁平无引线(QFN) 封装(如图3-1)。典型应用原理图(如图3-2)。高级功能示意图(如图3-3) 图3-1 bq25505封装 图3-2 典型应用原理图 11 图3-3 高级功能示意图 , 3.2.2 升压模块设计 BQ25505基于超低静态电流，高效的同步升压充电器。升压充电器规定在一个高阻抗驱直流电源，例如太阳能电池板，TEG电压模块。因此，它调节输入电压(VIN-DC)。为了防止输入源奔溃，升压充电器监控其输出电压，当VSTOR到达电阻编程的阈值电平时停止开关。升压充电器基于最大效率的开关式架构，即使在轻负载条件下，它也使用脉冲频率调制维护效率。升压充电器完成电池保护功能，以便任何充电电池或电容可以用作能量存储元件。 要求各引脚参数为:VBAT_OV = 5V, VBAT_OK = 4.2 V, VBAT_OK_HYST = 3.7 V, MPPT (VOC) = 50%,L1 = 22 μH, CIN = CSTOR = 4.7 μF, CBYP=0.1 μF,CREF = 10 nF,ROK1 = 4.22 MΩ, ROK2 = 8.06 MΩ, ROK3 = 0.698 MΩ,ROV1 = 6.04 MΩ, ROV2 = 7.87 MΩ 图3-4 升压模块电路 , 3.3 电池管理电路设计 , 3.3.1 CN3083芯片介绍 12 CN3083是可以用太阳能板供电的单节锂电池充电管理芯片。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。内部的8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能板等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。CN3083只需要极少的外围元器件，并且符合USB总线技术规范，非常适合于便携式应用的领域。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为4.2V，也可以通过一个外部的电阻调节。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3083自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3微安。其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。 CN3083采用散热增强型的8管脚小外形封装(SOP8)。 CN3083特点: ? 内部集成有8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自 动调整充电电流 ? 可利用太阳能板等输出电流能力有限的电压源供电的锂电池充电应用 ? 输入电压范围:4.4V 到 6V ? 片内功率晶体管 ? 不需要外部阻流二极管和电流检测电阻 ? 恒压充电电压4.2V，也可通过一个外部电阻调节 ? 为了激活深度放电的电池和减小功耗，在电池电压较低时采用涓流充电模式 ? 可设置的持续恒流充电电流可达600mA ? 采用恒流/恒压/恒温模式充电，既可以使充电电流最大化，又可以防止芯片 过热 ? 电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式 ? 充电状态和充电结束状态双指示输出 ? C/10充电结束检测 ? 自动再充电 ? 电池温度监测功能 ? 封装形式SOP8 13 ? 无铅产品 管脚排列: 图3-5 管脚排列 功能框图: 图3-6 功能框图 管脚功能描述 14 表1 管脚功能描述 序名称 功能描述 号 电池温度检测输入端。将TEMP管脚接到电池的温度传感器的输 出端。如果TEMP管脚的电压小于输入电压的46%×VIN超过0.15 1 秒，意味着电池温度过低或过高，则充电将被暂停。如果TEMP TEMP 大于输入电压的46%×VIN超过0.15秒，则电池故障状态将被清 除，充电将继续。如果将TEMP管脚接到地，电池温度监测功能 将被禁止。 恒流充电电流设置和充电电流监测端。从ISET管脚连接一个外 部电阻到地端可以对充电电流进行编程。在预充电阶段，此管2 ISET 脚的电压被调制在0.2V;在恒流充电阶段，此管脚的电压被调 制在2V。在充电状态的所有模式，此管脚的电压都可以根据下 面的公式来监测充电电流: ICH = (VISET×900),RISET 3 GND 电源地 输入电压正输入端。此管脚的电压为内部电路的工作电源。当 4 VIN VIN与BAT管脚的电压差小于20mV时，CN3083将进入低功耗的睡 眠模式，此时BAT管脚的电流小于3μA。 电池连接端。将电池的正端连接到此管脚。在电源电压低于电5 BAT 源电压过低锁存阈值或者睡眠模式，BAT管脚的电流小于3μA。 BAT管脚向电池提供充电电流和恒压充电电压。 漏极开路输出的充电结束状态指示端。当充电结束时，OK管脚6 OK 被内部开关拉到低电平，表示充电已经结束;否则OK管脚处于 高阻态。 漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时，CH7 CH 管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行;否则CH管脚 处于高阻态。 电池电压Kelvin检测输入端。此管脚可以Kelvin检测电池正极8 FB 的电压，从而精确调制恒压充电时电池正极的电压，避免了从 电池的正极到CN3083的BAT管脚之间的导线电阻或接触电阻等 15 寄生电阻对充电的影响。如果在FB管脚和BAT管脚之间接一个 电阻，可以调整恒压充电电压。 极限参数 管脚电压„„„„„„„„„,0.3V to 6.5V 最高结温„„„„„„„„„150? BAT管脚短路持续时间„„„连续 工作温度„„„„„„„„„,40? to 85? 存储温度„„„„„„„„„,65? to 150? 热阻(SOP8)„„„„„„„„TBD 焊接温度(10秒)„„„„„300? 超出以上所列的极限参数可能造成器件的永久损坏。以上给出的仅仅是极限范围，在这样的极限条件下工作，器件的技术指标将得不到保证，长期在这种条件下还会影响器件的可靠性。 详细描述 CN3083是专门为利用太阳能板等输出电流能力有限的输入电压源对单节锂电池进行充电管理的芯片，芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可以用外部电阻编程设定，最大持续充电电流可达600mA，不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。CN3083内部集成有8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流，最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能板等输出电流有限的电压源供电的锂电池充电应用。CN3083包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，充电状态指示端CH和充电结束指示输出端OK。芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115?时自动降低充电电流，这个功能可以使用户最大限度的利用芯片的功率处理能力，不用担心芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。这样，用户在设计充电电流时，可以不用考虑最坏情况，而只是根据典型情况进行设计就可以了，因为在最坏情况下，CN3083会自动减小充电电流。 当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时，CN3083开始对电池充电，CH管脚输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压Kelvin检测输 16 入端(FB)的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由ISET管脚和GND之间的电阻RISET确定。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3083进入恒压充电模式。当输入电压大于4.45V，并且充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束，CH端输出高阻态，OK端输出低电平，表示充电周期结束，充电结束阈值是恒流充电电流的10%。如果要开始新的充电周期，只要将输入电压断电，然后再上电就可以了。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压降到再充电阈值以下时，自动开始新的充电周期。芯片内部的高精度的电压基准源，误差放大器和电阻分压网络确保电池端调制电压的误差在?1%以内，满足了电池的要求。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式，电池端消耗的电流小于3uA，从而增加了待机时间。上述充电过程如图3-6所示: 图3-7 充电过程示意图 , 3.3.2 电源管理模块设计 电源管理模块 17 图3-8 典型应用电路(恒压充电电压4.2V) 注:当使用外部电阻调整恒压充电电压时，由于芯片内部和外部的温度不 一致及芯片生产时的工艺偏差等原因，可能导致输出电压的精度变差 和温度系数变大。 电源低电压锁存(UVLO) CN3083内部有电源电压检测电路，当电源电压低于电源电压过低阈值时，芯片处于关断状态，充电也被禁止。 睡眠模式 CN3083内部有睡眠状态比较器，当输入电压VIN低于电池端电压加20mv时，充电器处于睡眠模式;只有当输入电压VIN上升到电池端电压50mv以上时，充电器才离开睡眠模式，进入正常工作状态。 输入电压源限流模式 当CN3083输入电压源的电流输出能力(带负载能力)小于第2管脚的电阻RISET所设置的充电电流时，器件内部的8位模拟-数字转换电路根据输入电压源的电流输出能力自动控制充电电流，此时实际充电电流可能小于第2管脚的电阻RISET所设置的充电电流，但是在保证CN3083第4管脚VIN的电压不低于最小工作电压的前提下，能够使得充电电流最大化，这就是输入电压源限流模式。在这种模式下用户不需要考虑最坏情况，只要根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流就可以了，所以非常适合利用太阳能板等电流输出能力有限的电压源对锂电池进行充电的应用。 18 充电结束 在恒压充电状态，当施加在CN3083的第4管脚VIN的电压大于4.45V，并且当充电电流小于所设置的恒流充电电流的1/10时，充电周期结束。在输入电压源限流模式，即使充电电流小于所设置的恒流充电电流的1/10，充电也将继续，不会结束。这样可以保证即使在输入电压源的电流输出能力很微弱的情况下，也能为电池充电。 预充电状态 在充电周期的开始，如果电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压低于3V，充电器处于预充电状态，充电器以恒流充电模式充电电流的10%对电池进行充电。 电池电压Kelvin检测 CN3083有一个电池电压Kelvin检测输入端(FB)，此管脚通过芯片内部的精密电阻分压网络连接到恒压充电的误差放大器。FB管脚可以直接连接到电池的正极，这样可有效避免电池正极和CN3083的第5管脚BAT之间的寄生电阻(包括导线电阻，接触电阻等)对充电的影响。这些寄生电阻的存在会使充电器过早的进入恒压充电状态，延长充电时间，甚至使电池充不满，通过使用电池电压Kelvin检测可以解决这些问题。如果将CN3083的电池电压Kelvin检测输入端(FB)悬空， 那么CN3083一直处于预充电状态，充电电流为所设置的恒流充电电流的1/10。调整恒压充电电压 如果在CN3083的电池电压Kelvin检测输入端(FB)和电池正极之间接一个电阻,可以提高电池正极的恒压充电电压，如图3-9所示。 图3-9 调整恒压充电电压 如果采用图3-9中的连接方式，那么在电池的正极电压Vbat为: Vbat , 4.2，3.04×10-6×Rx 其中，Vbat的单位是伏特 19 Rx的单位是欧姆 当使用外部电阻调整恒压充电电压时，由于芯片内部和外部的温度不一致及芯片生产时的工艺偏差等原因，可能导致输出电压的精度变差和温度系数变大。 设定恒流充电电流 在恒流模式，计算充电电流的公式为: ICH = 1800V / RISET 其中，ICH 表示充电电流，单位为安培 RISET 表示ISET管脚到地的电阻，单位为欧姆 例如，如果需要500毫安的充电电流，可按下面的公式计算: RISET = 1800V/0.5A = 3.6kΩ 为了保证良好的稳定性和温度特性，RISET建议使用精度为1%的金属膜电阻。 通过测量ISET管脚的电压可以检测充电电流。充电电流可以用下面的公式计算: ICH = (VISET / RISET) × 900 电池温度监测 为了防止电池温度过高或者过低对电池造成的损害，CN3083内部集成有电池温度监测电路。电池温度监测是通过测量TEMP管脚的电压实现的，当TEMP管脚的电压大于46%×VIN超过0.15秒时，芯片正常工作;如果TEMP管脚的电压小于46%×VIN超过0.15秒，则CN3083认为电池的温度超出范围，充电将被暂时停止，当TEMP管脚的电压又重新大于46%×VIN超过0.15秒时，充电会继续。 如果将TEMP管脚接到地，电池温度监测功能将被禁止。TEMP管脚的电压是由电池内的NTC(或PTC)热敏电阻和一个片外电阻构成的分压网络实现的，图1示出了用NTC热敏电阻和一个片外电阻R1构成分压网络以防止电池温度过高。R1的推导十分简单，只要满足在电池温度达到高端温度保护点时，R1和NTC热敏电阻在TEMP管脚分得的电压为46%×VIN即可。 再充电 当一个充电周期结束时，如果电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压低于再充电阈值时，CN3083自动开始一个新的充电周期。 恒流/恒压/恒温充电 CN3083采用恒流/恒压/恒温模式对电池充电，如图3-6所示。在恒流模式， 20 充电电流为1800V/RISET。如果CN3083的功耗过大，器件的结温接近115?，放大器Tamp开始工作，自动调整充电电流，使器件的结温保持在大约115?。 漏极开路状态指示输出端 CN3083有两个漏极开路状态指示端，CH和OK，这两个状态指示端可以驱动发光二极管或单片机端口。CH用来指示充电状态，在充电时，CH为低电平;OK用来指示充电结束状态，当充电结束时，OK为低电平。当电池的温度处于正常温度范围之外超过0.15秒时，CH和OK管脚都输出高阻态。 当电池没有接到充电器时，充电器很快将输出电容充电到恒压充电电压值，由于电池电压Kelvin检测输入端FB管脚的漏电流，FB管脚和BAT管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值，这样在FB管脚和BAT管脚形成一个纹波电压为100mv的波形，同时CH输出脉冲信号表示没有安装电池。当电池连接端BAT管脚的外接电容为4.7uF时，脉冲的周期大约为10Hz。 下表列出了两个状态指示端及其对应的充电器状态，假设CH管脚接红色LED，OK管脚接绿色LED CH管脚电平(对应的LEDOK管脚电平(对应的LED状态说明 状态) 状态) 低电平(红色LED常亮) 高电平(绿色LED灭) 正在充电 高电平(红色LED灭) 低电平(绿色LED常亮) 充电结束状态 脉冲信号(红色LED闪脉冲信号(绿色LED亮) 电池没有接好 烁) 三种可能异常状态: ? 输入电压低于电源高电平(红色LED灭) 高电平(绿色LED灭) 低电压锁存阈值，或者 ? 输入电压低于电池 连接端BAT电压，或者 ? 电池温度异常 当不用某个状态指示功能时，将不用的状态指示输出端接到地。 电源输入端VIN 旁路电容CIN 电源输入端需要一个旁路电容，一般情况下，22uF的电容可以满足要求，对电容的类型没有限制。 关于输入滤波电容的考虑,请参考我公司的应用笔记“AN102 输入电源滤波 21 电容可能引起的问题”。 稳定性 为了保证充电器正常工作，需要从电池端BAT到GND之间连接一个电容，电容值为4.7uF。 在恒流模式，ISET管脚连接的电阻，电容也会影响系统的稳定性。通常情况下，在ISET管脚没有外加电容时，在此管脚可以外接一个阻值高达50K的电阻。如果在ISET管脚有外接的电容，则在此管脚允许外接的电阻值会减小。为了使充电器能正常工作，ISET管脚外接电阻，电容所形成的极点应高于200KHz。假设ISET管脚外接电容C，用下面的公式可以计算ISET管脚允许外接的最大电阻值: RISET < 1,(6.28×2×105×C) 为了在ISET管脚监测充电电流，或者隔离ISET管脚的电容负载，可以用一个RC滤波电路，如图3-10所示，这样系统的稳定性不受影响。 图3-10 隔离ISET管脚的电容负载 , 4 电路测试 表4.1 硬件测试数据 太阳能电池板输出电压(V) 4.5 3.9 3.5 3.3 2 升压输出电压(V) 5.8 5.8 5.2 4.9 4.2 管理芯片最终输出电压(V) 4.2 4.2 4.2 4.2 — 表4.2 时间周期 涓流恒流恒压 (15mA) (150mA) (4.2V) 1h 10h 1h 表4.1为硬件测试数据，表4.2为对1kmA的电池进行充电的时间周期。经过测试在能见到的阳光时，太阳能充电器就能正常充电。在无太阳光用很强的灯光测试时，也可以以微弱的电流充电，主要原因在于太阳光与灯光的成分不同。 当太阳板输出2V时就能升压到4.2V，但电路中有防倒吸装置，所以电压不足以为电池充电，当太阳板输出电压能输出3.3V是就能正常为电池充电。 22 , 5 结论与展望 本太阳能手机充电器系统的设计为硬件电路设计，硬件电路的设计主要是电路原理图的绘制以及参数的确定。在硬件电路设计上遇到一些问题，关于DC/DC转换的调制信号的产生问题，经过反复分析论证，最后确定用单片机通过编程来实现，这样将大大降低硬件的成本。 对于本设计，如果进行进一步的研究，我认为应该在以下几个方面重点考虑: (1)考虑太阳能利用率的提高。 (2)考虑加入电压电流的转换和电流电压转换更加充分的利用功率 , 致 谢 本文是在朱俊标老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。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。在此论文撰写过程中，要特别感谢朱老师的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容。 还要感谢创新实验室同学的大力帮忙，在硬件电路方面出现的问题，不厌其烦的指出来，都很好的帮忙解决了。 本文还参考了一些文献资料，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。在这四年的学期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。 这次论文答辩完成，意味着大学生活的落幕，我从一个初出茅庐的高中生变成了一个受过高等教育的本科生。在大学里，我学到了很多很多，感谢怀化学院，感谢各位老师，四年中，留下了许多美好回忆，不但丰富了知识，拓展了视野，而且还学会了为人处事。 , 参考文献 [1] 裴郁.我国可再生能源发展战略研究[D].辽宁:辽宁师范大学，2004 [2] 徐进，王德仁.停电突显能源危机困境中寻找新能源[J].科学杂志，2003，11(3):35-37 [3] 张冬洁，王志远，刘胜利.太阳能在我国的应用及发展前景[J].洛阳工学院学报，2001， 22(4):35-37 [4] 张红梅，尹云华.太阳能电池的研究现状与发展趋势[J].社会科学杂志，2008，8:39-42 23 [5] 蒋鸿飞，胡淑婷.绿色能源——太阳能充电器[J].上海应用技术学院学报，2007, 5(4):4-6 [6] 滨川圭弘.太阳能光伏电池及其应用[M].北京科学出版社，2008 [7] 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，2003 [8] 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):1145-1154 [9] 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，2005 [10] 崔容强，喜文华，魏一康等.太阳能光伏发电[J].太阳能，2004(4):72-76 [11] 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 [12] 刘树民，宏伟译.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京: 科学出版社，2006 [13] 蔡朝洋.单片机控制实习与专题制作[M].北京航空航天大学出版社，2006 [14] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社，2005 [15] 康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].高等教育出版社，2000 [16] 沈德金.接口电路与实用程序实例[M].北京大学出版社，2003 [17] 张军军，孙佩石，梁海涛.智能化小区LED路灯光伏充电器的设计[J].电源技术，2007， 31(2):157-159 [18] 陈维，沈辉，王东海等.太阳能半导体照明驱动技术研究[J].照明工程学报，2005， 16(3):7-10 [19] 潘新民，丁王燕芳.微型计算机控制技术及应用[M].电子工业出版社，2003 [20] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2011 , 附录 24 , 附录1 电路原理图 GND RES2 1 Rov1 RES2 1R3R2Rov2Rok3Rok2Rok1GND9.5M3MGNDNC1RES2 1RES2 1RES2 1 0U26789178S169TPS62737GNDEN2511510输入电压4.4v到6vCENOK-HYSTGNDEN1NC12NC411NCOUT412312IN_ETSWVREF-SAMPOK-PROGVSSVSSGNDVRDIVVRDIVU121322uF330SWSWCVBAT-OVC32N10nF313R32VB-PRI-ONINVOC-SAMPBP25505VBAT-OKL2110uHVB-SEC-ONCN11+214NC142VIN-DCVBAT-TRIGND1GND绿色红色41C4C3115D2D18VSSVSSGNDFB4.7uF0.1uF输入5BATCCCN31LBOOSTVSTORVBAT-SECNNVINGND7U3C31Bat+CH1GNDNC1CN38034.7uF09876Cin221111614.7uFOKTEMP1.8MDL12输出ISET+NC1322uHG100uFGNDR9GND3 GNDGND , 附录2 电路PCB图 25 , 附录3 元器件清单 26 序号 器件名称 型号规格 数量 1 贴片电容 0.1uF 1 2 贴片电容 4.7uF 3 3 贴片电容 10nF 1 4 贴片电容 100uF 1 5 贴片电容 22uF 1 6 排针 2 7 太阳能板 2 8 led灯 红色 1 9 led灯 绿色 1 10 贴片电感 22uH 1 11 贴片电感 10uH 1 12 贴片电阻 3M 1 13 贴片电阻 9.5M 1 14 贴片电阻 1.8M 1 15 贴片电阻 330 1 16 贴片电阻 5 17 开关 1 18 芯片 BP25505 1 19 芯片 CN3803 1 , 附录4 实物图 27 28 29 30