便携式太阳能手机充电器设计

丁学用 王玲玲 何彦廷

三亚学院理工学院

充电器通过太阳能电池板将太阳光的辐射能量转换成电能，经过7805 稳压芯片稳定到5V 后的电能传递给充电芯片TP4056，通过这款芯片完成对单节锂电池充电，最后再通过DC/DC 升压芯片PT1301，将电池的电压升压到稳定的5V，为负载电路供电。另外，系统还利用LM324 搭建了电池电量的指示电路，给电池电量分了等级。该便携式太阳能手机充电器成本相对低廉，使用较为方便，经过多次测试，输出电压、电流和功率能恒定在5V、0.7A和3.5W，对完全放电后的手机充电至饱和状态，整个工作时间在1.5 至2 小时之间，设备工作温度在25℃～30℃之间，符合国家锂电池充电的安全标准。

概述

全球日趋严重的化石能源紧缺和环境污染破坏的情况，使得太阳能产业的发展不仅仅是一个单纯的经济问题，更是一个能源替代和环境保护的问题，太阳能光伏发电技术也越来越受到人们的关注。随着太阳能电池板价格方面越来越便宜和科学家在光伏技术方面研究的深入，人类利用太阳光的辐射能量将逐渐由现在的补充能源升级到替代能源。太阳能光伏发电技术在家庭小产品方面的应用实例还是很少，如目前使用太阳能充电的手机充电器还没有被广大消费者接受。因此太阳能作为一种容易获取对环境无污染的绿色能源若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境有着非常重要的意义。太阳能光伏发电技术的最重要的研究内容，就是如何在给定光电转换材料和电池的条件下，完成高效可靠的充电。当来自太阳能板的电能有剩余的时候，就可以对蓄电池进行充电；当太阳能板提供的电能不足的时候，电池就可以为系统提供电能。

三亚市位于海南省最南端，地处东经109.5°，北纬18.2°，属于中国太阳能资源较为丰富地区，全年太阳总辐射量达5628MJ/m2。日照时间长，沿海年均日照时数为2588h。三亚的年平均气温25.4℃，6月平均气温最高，达28.5℃，1月平均气温最低，达20.9℃，三亚市全年各月份太阳辐射量丰富，日照时数较大，可以为手机充电提供充足的太阳能。

基本理论

设计方案及思路

本设计所制作的便携式太阳能手机充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过7805 稳压芯片稳定到5V 后的电能传递给充电芯片TP4056，通过这款芯片完成对单节锂电池完成充电，最后在通过DC/DC升压芯片PT1301，将电池的电压升压的稳定的5V，为负载电路供电。另外，系统还利用LM324搭建了电池电量的指示电路，给电池电量分了等级。系统方框图如图1 所示。

图1 系统方框图

电路设计及分析

图2 系统原理总电路图

根据系统方框图，设计的系统原理总电路图如图2 所示，其由稳压电路、充电电路、放电电路和电量指示灯电路四部分组成。

图3 稳压电路

图4 充电电路

图5 放电电路

图6 电量指示灯电路

有阳光的情况下，太阳能板对电路进行充电，太阳能板电流经过稳压芯片LM2940VIN 口输入，把电压稳压至5v 后通过VOUT 输出。470uf 的电容是防止太阳能板的电流倒回太阳板。LM2940 输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压5V；输出电流1A。稳压电路如图3 所示。

图4 是充电电路，TP4056 是一款完整的单节锂离子电池线性充电器，可以对两个并到一起的锂电池进行充电。太阳板是主要的供电模块，经过稳压模块，5V 的电压经过指示灯，D3 红灯亮表示正在进行太阳能充电，R4 电阻是过载保护电阻，当充电器向电池充电时，管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行中；否则管脚处于高阻态，所以D3 红灯亮表示正在进行太阳能充电。当电池充电结束时管脚被内部开关拉到低电平，表示充电完成。除此之外，管脚则会处于高阻态。所以D2 绿灯亮表示正在进行太阳能充电完成，同时5V 电压接TP4056 的VCC 是给芯片供电的。

图5 是放电电路，PT1301 是一款升压DC/DC 转换器，采用自适应电流模式脉冲宽度调制控制环路。该芯片在负载电流范围内能稳定和高效的工作，而且不需要任何外部补偿电路。充电电路对电池进行充电，PT1301 对电池输出的电压进行升压，并将电压稳点在需要的电压值上，通过USB 口输出电压，对手机进行充电。

图6 是电量指示灯电路，TL431 是一个三端可调并联稳压器，能保证温度稳定在整个温度经营范围，LM324 是一个四运放集成电路，它的四组运算放大器在形式方面一样，其中专为从单电源供电的

电压范围经营。TL431 和LM324 组成了电压比较电路，将电池的电量通过运算放大器进行比较，D4、D5、D6、D7 电量显示灯，如果电量不足，第一个显示灯不亮，只显示其余的三个灯，以此类推。

太阳能电池板

太阳能电池板（Solar panel）是由单个或多个太阳能电池片组成具有把光转换成电特性的一种半导体器件，它可以把照射在其表面的太阳光的辐射能量转换成直流电，太阳能电池板是光伏发电产品中的最为基础的组件，也是太阳能光伏发电产品中最为核心的部分。它在本设计中最大作用就是将太阳光的辐射能量转化为电能贮存到蓄电池中。多晶硅太阳电池与单晶硅太阳电池的制作工艺基本相同，但是多晶硅太阳能电池在光电转换效率方面则要比单晶硅太阳能电池降低不少，其光电转换效率大约为12%左右。当前日本在这方面的研究处于世界领先地位，能制造光电转换效率在14%左右的多晶硅电池。从制作成本上来讲，要比单晶硅太阳能电池要便宜一些，它在制造工艺上更为简单，生产耗电量少，在成本方面也比较低，所以得到了大力发展和应用。出于成本控制原因，本设计制作的便携式太阳能手机充电器采用的电池板为多晶硅太阳能电池板。

表1 便携式太阳能手机充电器数据测试结果

图9 充电器工作效率与输入电压的关系

实物制作

从电子材料店买回所需元器件器材及若干导线，选取好大小合适的覆铜板按照电路图进行制作，将元器件按照电路的位置逐个焊接完成，将太阳能电池板用导线和电路板连接起来，电路输出端焊接上USB 接口，用万用表逐个检查元器件，实物部分基本完成。

将太阳能电池板至于阳光下，将手机与电路板用USB线连接起来，打开充电开关，手机开始充电。其实物图充电过程如图7 所示。

测试和分析

将便携式太阳能手机充电器置于阳光下，通过调整多晶硅太阳能电池板与阳光照射的角度，得到不同的光照条件下的数据，用万用表测量对应的输入电压电流和输出电压电流并将其绘制成表1 所示，并对数据进行分析。

由表1 便携式太阳能手机充电数据测试结果及分析所得，输出电压和输入电流恒定不变，即本设计的便携式太阳能手机充电器输出功率恒定不变。将输入电压和输入功率的数据制作成线路图，观察其对应关系如图8 所示。

由图8 便携式太阳能手机充电器的输入功率和与输入电压的关系分析可得，在太阳能电池板的工作电压内，随着输入电压的增大输入功率也随之减小。

图9 是便携式太阳能手机充电器的工作效率和输入电压的关系图，由图可知在太阳能电池板的工作电压内，随着输入电压的增大，工作效率也随之增大。

经过测试及测试结果分析，本设计的便携式太阳能手机充电器运作状态良好，能完整较好的实现本设计意图。经过样机充电测试，完成手机完整充电过程大约为1.5 至2 小时之间。由以上分析可得，想要尽快完成充电过程（即提高太阳能手机充电器的工作效率），必须得提高太阳能电池板的输入电压，即提高太阳能电池板接收的光照强度（如在光照较为充足的午间时分或者调试好太阳能电池板与阳光照射的角度）。

结语

本设计的便携式太阳能手机充电器在三亚经过多次样机测试，输出电压、电流和功率能恒定在5V、0.7A 和3.5W，对完全放电后的手机充电至饱和状态，整个工作时间在1.5 至2 小时之间，设备工作温度在25～30℃之间，符合国家锂电池充电的安全标准。从整个设计来看，本设计制作的太阳能充电器体积略微偏大，如果进入生产模式，电路部分可以将电路进行集成，太阳能电池板可以选择转换效率更高的进行替换，从而实现设计所设想的便携式的目的。