【導(dǎo)讀】導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出。?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。電子版，允許論文被查閱和借閱?？梢圆捎糜坝?、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前，太陽能電池在便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)取得了?，F(xiàn)在手機已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，但是手機。而且，近些年來手機充電器的安全問題已逐步受到人們的關(guān)注。種太陽能手機充電器設(shè)計方案進行了比對，闡述了各自的優(yōu)缺點。

　　

【正文】 置的充電電流時，器件內(nèi)部的 8 位模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換電路根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動控制充電電流，此時實際充電電流可能小于第 2 管腳的電阻 RISET 所設(shè)置的充電電流，但是在保證CN3063 第 4 管腳 VIN的電壓不低于最小工作電壓 的前提下，能夠使得充電電流最大化，這就是輸入電壓源限流模式。在輸入電壓源限流模式，即使充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的 1/10，充電也將繼續(xù)，不會結(jié)束。這樣可以保證即使在輸入 電壓源的電流輸出能力很微弱的情況下，也能為電池充電。用戶不需要考慮最壞情況，只要根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設(shè)置充電電流就可以了，所以非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源對鋰電池進行充電的應(yīng)用。 CN3063 芯片內(nèi)部的功率管理電路在芯片的結(jié)溫超過 115℃ 時自動降低充電電流，這個功能可以使用戶最大限度的利用芯片的功率處理能力，不用擔(dān)心芯片過熱而損壞芯片或者外部元器件。這樣，用戶在設(shè)計充電電流時，可以不用考慮最壞情況，而只是根據(jù)典型情況進行設(shè)計就可以了，因為在最壞情況下， CN3063 會自動減小充電 電流。為了防止電池溫度過高或者過低對電池造成的損害， CN3063 內(nèi)部集成有電池溫度監(jiān)測電路。電池溫度監(jiān)測是通過測量 TEMP 管腳的電壓實現(xiàn)的，當(dāng) TEMP 管腳的電壓大于 46% VIN 超 過 秒時，芯片正常工作；如果TEMP 管腳的電壓小于 46% VIN超過 秒，則 CN3063 認(rèn)為電池的溫度超出范圍，充電將被暫時停止，當(dāng) TEMP 管腳的電壓又重新大于 46% VIN超過 秒時，充電會繼續(xù)。如果將 TEMP 管腳接到地，電池溫度監(jiān)測功能將被禁止。 TEMP 管腳的電壓是由電池內(nèi)的 NTC(或 PTC)熱敏電阻和一個片 外電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。 (3)參數(shù)設(shè)定 在恒流模式，計算充電電流的公式為： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 22 ISETCH R1800VI ? (31) 其中 ICH —— 充電電流， A； RISET —— ISET 管腳到地的電阻 ，Ω 。 本設(shè)計中充電電流設(shè)置為 1A，則電阻的阻值為 ；電源輸入端需要一個旁路電容，一般情況下， 22uF 的電容可以滿足要求，對電容的類型 沒有限制；為了保證充電器正常工作，需要從電池端 BAT 到 GND 之間連接一個電容，電容值為 ； VIN 與 TEMP 之間接的片外電阻和熱敏電阻構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)以防止電池溫度過高，片外電阻的推導(dǎo)十分簡單，只要滿足在電池溫度達(dá)到高端溫度保護點時，在 TEMP 管腳分得的電壓為 46% VIN即可。 CN3063 的應(yīng)用電路如圖 32 所示。 V I NGNDC H R GD O N EF BB A TT E M PI S E T太 陽能 電池L i 圖 32 蓄電池充電控制電路 MCC6288 芯片介紹 MCC6288 系列產(chǎn)品是一 種高效率、低紋波、工作頻率高的 PFM 升壓DCDC 變換器。僅需要四個元器 ,就可完成將低輸入的電池電壓變換升壓到所需的工作電壓。電路采用了高性能、低功耗的參考電壓電路結(jié)構(gòu)，同時在生產(chǎn)中引入修正技術(shù)，保證了輸出電壓的高輸出精度及低溫度漂移。內(nèi)置EN 使能端，可控制變換器的工作狀態(tài)，可使它處于關(guān)斷省電狀態(tài)，功耗降至最小。 MCC6288 是一款 BOOST 結(jié)構(gòu)、電壓型 PFM 控制模式的 DCDC第 3章 基于芯片的太陽能手機充電器設(shè)計 23 轉(zhuǎn)換電路。芯片內(nèi)部包括輸出 電壓反饋和修正網(wǎng)絡(luò)、啟動電路、震蕩電路、參考電壓電路、 PFM 控制電路、過流保護電路以及功率管。 MCC6288 所需的外部元器件非常少，只需要一個電感、一個肖特基二極管和輸入輸出電容就可以提供 到 的穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。 PFM 控制電路是MCC6288 的核心，該模塊根據(jù)其他模塊傳遞的輸入電壓信號、負(fù)載信號和電流信號來控制功率管的開關(guān)，從而達(dá)到控制電路恒壓輸出的作用。在 PFM控制系統(tǒng)中，固定震蕩頻率和脈寬，穩(wěn)定的輸出電壓是根據(jù)輸入 輸出電壓比例以及負(fù)載情況通過削脈沖來調(diào)節(jié)在單位時間內(nèi)功率管導(dǎo)通時間來實現(xiàn)。震蕩電路提供基準(zhǔn)震蕩頻率和固定的脈寬。參考電壓電路提供穩(wěn)定的參考電平。并且由于采用內(nèi)部的修正 技術(shù)，保證了輸出電壓精度達(dá)到 177。 %，同時由于參考電壓經(jīng)過精心的溫度補償設(shè)計考慮，使得芯片的輸出電壓的溫度漂移系數(shù)小于 100ppm/℃ 。高增益的誤差放大器保證了在不同輸入電壓和不同負(fù)載電流情況下穩(wěn)定的輸出電壓。為了減小輸出電壓的紋波和噪聲，誤差放大器采用施密特比較器結(jié)構(gòu)，同時具備很快的響應(yīng)速度。 BOOST 結(jié)構(gòu)DCDC 轉(zhuǎn)換器的功率損耗主要是由于電感的寄生串聯(lián)電阻、肖特基二極管的正向?qū)▔航?、功率管的?dǎo)通電阻以及控制功率管信號的驅(qū)動能力這四個方面，當(dāng)然芯片本身消耗的靜態(tài)功耗在低負(fù)載的情況下也會影響轉(zhuǎn)換效率。為了獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，除了用戶選擇合適的電感、肖特基二極管和電容外，芯片內(nèi)部的功率管導(dǎo)通電阻也非常小。功率管有驅(qū)動能力很強的驅(qū)動電路驅(qū)動，保證功率管開關(guān)時的上升沿和下降沿很陡，大大減小了開關(guān)狀態(tài)時的功率損耗。 首先定義： VoutVinVoutD ?? (32) ： 2f RD)D(1L L2?? (33) 可計算得電感值為： ，本設(shè)計中取值為 10μH。 ： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 24 γRfDC? (34) 可計算的輸出電容為： 14μF，本設(shè)計中取值為： 15μF。 ：正向?qū)妷旱汀⒎磻?yīng)時間快的肖特基二極管 IN5820，峰值反向電壓 VRRM =20V，正向平均整流電流 IF=3A,正向?qū)▔航礦F=。 10uF 以上的濾波電容，用于減小輸出的噪聲。 MCC6288 的應(yīng)用電路如圖 33所示。 E X T L XG N D V o u t E NV I N V O U T 圖 33 MCC6288 應(yīng)用電路 本章小結(jié) 本章主要介紹了基于集成芯片的太陽能手機充電器的硬件電路設(shè)計，重點介紹了蓄電池充電控制芯片 CN3606 與放電升壓芯片 MCC6288 的功能及應(yīng)用電路設(shè)計 。 第 4章 基于 MPPT的太陽能手機充電器設(shè)計 25 第 4章 基于 MPPT的太陽能手機充電器硬件設(shè)計 第 3 章所設(shè)計的基于集成電路的太陽能手機充電器能夠很大程度上簡化電路的設(shè)計，降低耗能，減少生產(chǎn)成本。但是，它也存在一些缺陷：無法使太陽能電池工作在最大功率處，不能夠?qū)崿F(xiàn)真正的智能控制，沒有顯示設(shè)備，而且集成電路對電路的散熱要求更高，修理成本高。因而，本章將重點介紹一種以單片機為核心的能實現(xiàn) MPPT 的太陽能手機充電器的設(shè)計。它可以檢測到電池充電飽和時的電壓信號變化，然后精準(zhǔn)地結(jié)束充電。它還有許多的優(yōu)點，如可靠性高、操作簡單，具有安全性和通用性等 , 代表著未來充電器發(fā) 展方向。 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計要求 本設(shè)計要完成的主要任務(wù)是：太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并把電能儲存在蓄電池中，為手機提供穩(wěn)定的充電電源。具體包括：在恒流充電階段能夠自動調(diào)整太陽能電池的負(fù)載，以實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤；太陽能充電器在陽光下能夠給蓄電池進行充電，也可以為手機充電，蓄電池在任何時候可以提供穩(wěn)定的電源給手機充電；系統(tǒng)具有充放電選擇和指示功能 []。 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計 。本設(shè)計選擇的太陽能電池板的參數(shù)具體為： 開路電壓 ,短路電流 ,最大電壓 4V,最大電流 ，峰值功率 5W。 。選擇型號為 PL526067M 的鋰離子電池作為儲能蓄電池，標(biāo)稱電壓 ，充電終止電壓 ，放電終止電壓 ，額定容量2200mAh，外形尺寸是 。 。輸入電壓的額定值為 4V,最大值是 。 輸燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 26 出電壓額定值為 ，變化的范圍是 。 。輸入電壓額定值是 ，輸出電壓是 5V，輸出電流 1A，工 作頻率 50KHz。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計所設(shè)計的太陽能手機充電器主要包括以下幾個部分：太陽能電池板、蓄電池充電電路、蓄電池放電電路、控制電路、按鍵及顯示電路。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖 41 所示。 BOOST 電路BOOST 升壓電路手機太陽能電池蓄電池ADC 0809 ADC 0809驅(qū)動電路驅(qū)動電路單片機按鍵 顯示供電K 1 按下K 2 按下K 3 按下 圖 41 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 當(dāng)選擇為蓄電池充電模式時，太陽能電池后所加 BOOST 電路的作用是 :當(dāng)蓄電池兩端的電壓小于 ，輸出 100mA 的電流進行預(yù)充電；當(dāng)蓄電池兩 端的電壓在 之間的時候，即在恒流充電階段，首先進行太陽能電池的最大功率跟蹤 (通過 PWM 控制變換器的占空比，來調(diào)整太陽能電池的負(fù)載為最佳匹配負(fù)載，通過直接檢測太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，連續(xù)計算太陽能電池的輸出功率，通過尋優(yōu)的方法來獲得太陽能電池的最大輸出功率 )，輸出電流會逐漸上升直至達(dá)到闕值 (最大充電電流值 1A)，中止最大功率跟蹤開始恒流充電，當(dāng)外界條件發(fā)生變化使輸出電流小于最大充電電流時，則轉(zhuǎn)入最大功率跟蹤直到輸出電流達(dá)到闕值，如此電路在最大功率跟蹤與恒流充電方式自由切換，直到蓄電池兩 端的電壓達(dá)到 ；在恒壓充電階段，使 BOOST 電路輸出恒定的 直到充電電流將為第 4章 基于 MPPT的太陽能手機充電器設(shè)計 27 100mA。當(dāng)選擇為手機直接充電時， BOOST 電路將太陽能電池的輸出電壓升壓到穩(wěn)定的 5V，直接對手機充電。 放電電路是 BOOST 升壓電路，將蓄電池輸出的電壓升壓到 5V，為手機提供穩(wěn)定的電源進行充電。 控制電路的核心器件是單片機，具體的電路包括 :單片機外圍電路、采樣電路、驅(qū)動電路、輔助電源電路。可以根據(jù)采樣的太陽能電池輸出的電壓與電流信號，調(diào)節(jié) BOOST 電路占空比來實現(xiàn)太陽能最大功率跟蹤和蓄電池充電控制；可 以根據(jù)蓄電池兩端電壓信號的檢測判斷是否可以充放電，保護蓄電池；可以根據(jù)蓄電池輸出電壓信號的檢測，調(diào)節(jié)放電電路 BOOST 電路占空比使輸出電壓穩(wěn)定。 具體硬件電路的設(shè)計 基于 MPPT 的蓄電池充電控制電路設(shè)計 太 陽 能電 池 板 R S +R S +R S R S O U TSHDNGND單 片 機A D C 0 8 0 9 驅(qū) 動 電 路 圖 42 最大跟蹤電路圖 太陽能電池的最大功率跟蹤電路如圖 42 所示，包括了屏蔽二極管、電壓檢測電路、電流檢測電路以及 BOOST 電路。 (1)屏蔽二極管 屏蔽二極管的作用是用來防止太 陽能電池輸出電壓低于蓄電池兩端電壓時，蓄電池向太陽能電池倒送電能從而消耗蓄電池的能量并導(dǎo)致太陽能電池燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 28 板發(fā)熱的情況。屏蔽二極管的選型為：采用肖特基二極管 RHD31R40， 其峰值反向電壓 VRRM =40V，正向平均整流電流 IF=3A,正向?qū)▔航礦F=。 (2)BOOST 電路設(shè)計 綜合考慮單片機的時鐘頻率、 PWM 分辨率、電感體積、電路損耗以及噪聲干擾等因素，本設(shè)計選擇的開關(guān)頻率為 50KHz。 直流升壓電感的設(shè)計目標(biāo)是紋波電流不超過某個要求值，本設(shè)計中按照經(jīng)驗以直流側(cè)額定電流的 20%作為紋波電流的上限。 BOOST 電路在連續(xù)工作模式下有 : D1VV inout ?? (41) TDLVI inp ??? (42) 由式 (41)和式 (42)可得： D)D( 1LfVI outp ?? (43) 計算可知當(dāng)占空比為