曹艳

摘要：本论文针对太阳能手机电池充电器的设计进行探究。从太阳能充电的基本运行原理、技术开发情况、设计思路、电路设计这几个方面进行了阐述

关键词：太阳能；手机电池充电器；充电控制

中图分类号：TK6 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）46-0065-02

工业发展使得人们的物质基础得以满足，随之而来的是因此而造成的生态环境破坏，人们也因此而付出了代价。自然资源被大量地消耗趋于枯竭，而与此同时环境污染日趋严重，直接危害到人的身心健康。由于太阳能是清洁能源，并不需要消耗任何燃料，也不需要使用机械动力驱动设备部件，更不会释放出污染物而污染环境，维护上也较为便利，因此太阳能方面的研究颇多，且研究成果多用于发电领域。手机已经成为人们的必备通信工具，手机电池充电如果将太阳能充分地利用起来，不仅充电方便，而且还有助于能源应用状况的改善，对促进地球生态环境的可持续发展具有重大的意义。

一、太阳能充电的基本运行原理

太阳能电池作为能源转换装置，是将太阳所释放的光能转换为电能，所采用的转换原理是光生伏特效应或者光化学效应。从太阳能板的设计结构来看，是以半导体硅作为主要材料而形成的一个大面积P-N结。

P-N结是通过氧化、光刻、掺杂、金属化等半导体工艺将一片P/N型半导体衬底中的一部分区域变成N/P型而形成的一种最基本的半导体元器件，由于P、N型材料其内部电子、空穴两种载流子浓度的不均匀从而在内部产生载流子的扩散运动，电子由N区向P区运动，而空穴由P区向N区运动，两种载流子运动到对方区域的时候在交界面两侧就会碰到另一种载流子而发生复合，载流子的复合使得在P、N区交界面产生电场，我们称为內建电场，其电位差则称为內建电势，载流子在內建电场的作用下又会产生漂移运动，运动的方向和扩散运动方向相反，当扩散与漂移达到动态平衡，形成PN结，内建电势大小不再变化，这也就是为什么每个二极管都有一个开启电压。

当太阳光照射到P-N结上，P-N结吸收光子产生光生载流子，光生载流子在內建电场作用下向不同的方向运动，由于光生多子对载流子浓度影响非常小，所以只要研究光生少子的运动，如图1所示，光生电子向N区运动，光生空穴向P区运动，光生少数载流子的累积产生了光生电压，这就是光生伏特效应。太阳能电池就是利用光生伏特效应将太阳能转换成了电能，将此能量直接提供给手机充电器或者存储起来提供给手机充电器，即为太阳能手机充电器。

二、太阳能电池的技术开发情况

目前太阳能技术已经渗入到各个应用领域中，不仅提高了供电效率，也给人们的生活带来了诸多的便利。根据不同的需求，太阳能电池板按照使用材料的不同，可分为以下几类。

第一类为硅太阳能电池，是以半导体硅为主要材料制作的，多选用高纯单晶硅，以获得良好的导电效果，但由于单晶硅成本高，现发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。

第二类为化合物太阳能电池，诸如铜铟硒、硫化镉以及砷化镓等，都是化合物太阳能电池所使用的主要材料。

第三类为有机薄膜太阳能电池，所采用的是一些功能高分子材料，根据太阳能电池在不同应用领域中所发挥的功能选择相应的功能高分子材料制作。

第四类为纳米晶太阳能电池，其研究开发尚属起步阶段，将会逐步走入市场。

其中硅太阳能电池中，能量转化率较高的是单晶硅太阳能电池，技术研发成果亦较多，并在应用上得以普及。在硅太阳能电池的制作中，常采用PERC（钝化发射极背面接触技术）、表面织构化技术和分区掺杂技术。与单晶硅电池相比较，以多晶硅为主要材料而研制的薄膜电池在应用领域的使用量较少。在太阳能电池生过程中所投入的成本也相对较低，可规模化生产。非晶硅薄膜太阳能电池的转换率最高为10%。

三、太阳能手机电池充电器的设计思路

当手机用户在户外没有220伏交流电源的时候，就可以采用太阳能手机电池充电器对手机电池进行充电。目前的手机电池以锂电池居多，所以，太阳能手机电池充电器的设计是针对锂电池充电的电路设计。当手机电池使用太阳能手机充电器进行充电的时候，不仅对锂离子进行充电，还对锂离子的蓄电池进行充电。如果阳光不够充足，就需要使用锂离子蓄电池进行充电。锂离子的容量是非常大的，通常是普通手机电池的2.5—3倍之多，其本身不可以放电，所以，为了避免蓄电池放电而伤害到手机电池，就要在电路设计时注重保护电路的设计。

四、太阳能手机电池充电器的电路设计

1.稳压电源的前安装DC/DC模块。太阳能手机电池充电器的电路设计，主要是斩波电路，即稳压电源之前加DC/DC斩波模块，通常用于便携装置或者移动装置，安装在笔记本电脑、移动电话中。DC/DC斩波模块能够在电池运行中对直流电压进行大小调节。太阳能手机电池的充电器电路设计中，在稳压电源前安装DC/DC模块，可以对手机电池的直流电压根据电能转换需要进行调节，以对直流电压起到稳定作用。

2.太阳能手机电池充电器的稳压电路设计。（1）稳压电路设计的必要性。太阳能手机电池充电器的电路设计中，稳压电源的设计是不可或缺的。由于太阳能手机所采用的电源是基于模拟电子技术而实现的，要使手机运行中电流电压稳定，就要设计稳压电路以使电压趋近于恒定。否则，在太阳能手机电池充电器运行的过程中，如果存在电压不稳定的现象，就无法将其作为整体电路电源而使用。关于电路的设计，对电源供电的规定是要求电源为直流电源，且确保电压稳定。电路包含电源变压器、稳压器、整流器和滤波器四个重要组成部分。其中的电源变压器发挥着电压转换的作用，即将交流电网所输出的220伏电压调节为应用领域中所需要的电压值。当调节后的电压经过整流电路后，原有的交流电会转变为脉动的直流电，因此，需要使用滤波器将脉动的直流电压中的波纹滤除，使直流电压处于平滑状态。但是，由于电压对电网运行环境具有较高的敏感度，特别是当电网负载产生变化或者环境温度发生变化的时候，就会影响到电压的稳定性。（2）DC/DC模块的稳压效能。太阳能手机电池充电器的稳压电路设计所采用的是DC/DC模块，且作为稳压电路中的一个重要组成部分，可以在确保输出电压不变的情况下，直流特性保持不变，极性也不会发生变化。当经过DC/DC模块而转化的电压值达到5伏的时候，就可以给手机电池充电了，而且能够保持充电的稳定性。（3）集成芯片7805的稳压效能。在太阳能手机电池充电器的稳压电路设计中，集成芯片7805作为核心部分，所发挥的效能是促使输出电压值稳定在5伏。以集成芯片7805以及其外围电路组合，形成稳压电路系统，使得输出电压稳定，即便是存在波动，也是在规定范围内的小幅度波动，由此可以避免太阳能手机电池在接受充电的时候，不会由于接收的电流电压不稳定性而遭到损害。可见，对于手机电池而言，在太阳能手机电池充电器上要确保电压是否稳定是非常重要的。

3.太阳能手机电池充电器的电路充电设计。现代的智能手机普及，多采用了锂电池。锂电池的环保度较高，不仅重量轻、体积小，而且电容量较大，且在充电的过程中无记忆效应。由于智能手机的功能多，电能消耗量也相对较大，锂电池能够满足电池多次循环充放，而且电池的使用寿命不会受到影响。

太阳能手机电池充电器的电路设计所采用的控制器为51单片机，关于充电的控制量则要根据手机电池端口处所设定的电压值加以确定。太阳能手机电池充电器对手机进行充电的时候，在电能信号的转换上，51单片机对模拟电路中所获取的控制量通过AD转换器得以实现，同时，51单片机也会将所获得的控制信号向模拟电路传输，使模拟电路有所动作。如果手机电池已经充满，51单片机就会检测到，并将信号传输到模拟电路中。此时，充电器对充电的控制所使用的是三极管，通常选择2CS2481。当51单片机的一个端脚所出电压值不在是稳定的5伏，而是发生了变化，与其连接的三极管或者处于输电截止状态，或者处于输电导通状态。当太阳能手机电池充电器对手机进行充电的时候，电源或者被断电，或者处于充电状态。手机处于停止充电或者持续充电状态，需要指示灯的颜色有所不同。

总结：

综上所述，现在世界各个国家都开始启动“拯救地球”战略，以促进自然生态环境的可持续发展，其中新能源开发得到了普遍的重视，特别是太阳能的研发成果显著，并逐渐地注入到应用领域中。太阳能手机电池充电器就是应用太阳能这种新型能源，不仅提高了手机电池的充电质量，还提高了充电效率。

参考文献：

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[2]张朝民，滕宇，徐卓超.太阳能手机充电器的研究与设计[J].数字技术与应用，2011，（03）：92-93.