1、太阳能；整流；横压跟踪；脉冲宽度控制芯片TL494；Buck型变换器第1章 概述 1.1 选题的意义 7 1.2 太阳能电池发电原理 8 1.3 手机太阳能充电器发展及新技术 9 1-4 太阳能电池特性 9 第2章 设计方案 2.1 充电器的技术参数 12 2.2 了解常见充电电池特性及其充电方式 12第3章 手机充电器电气的设计 3.1 降压式电源转换器电路设计 13 3.1.1 电路分析3.1.2 设计导通模式3.2 脉波宽度调变度（PWM） 153.2.1 脉波宽度调变3.2.2 脉波宽频调变实作3.2.3 TL-494PWM控制电路第4章 充电器转换器电路设计 4.1 开回路 CCM
2、与 DCM 模拟与实作 244.2 闭回路控制之电路实作 24第5章 总论 33参考文献 38引言随着科技的发展，网络的普及，信息化也变得越来越普遍，人们的生活与现代化产品也息息相关，电气时代使人们的生活变得方便快捷，而今，现在，迅猛发展的电子时代又使现代社会的步调向更快、更稳、更高的目标努力，特别是，近几年来，手机等电子产品的普及，让商业的洽谈变得更加简单，使人们的交流更加直接，令出行人的安排更加方便。但是，方便的同时也出现了不少问题，特别是当你正在跟客户商谈时，当你在深山里迷路求救时，当你正在向你的上级领导回报情况时，当你在外地出差正与家人通话时手机突然断电了，备用电池没有电了又没有带手机
3、充电器时，怎么办？另外，现在手机多功能化发展趋势，手机耗电量逐步增加，这就提高了对电池的要求，但是另一方面，电池随着手机体积的逐渐缩小而变得越来越小，而电池供电技术却并没有随之提高，这就带来了待机时间减少的问题，给经常外出的人带来了不少麻烦。为了解决这一问题，许多人在购买手机时候采用了双电双充的配置方案，用来解决耗电量大的问题。这样不但提高了手机购置成本，而且使用当中并不像想象中的那样方便，不是忘了携带第二块电池就是忘了给第二块电池充电，使得外出时因为电池电量不足影响手机的的正常使用。为了解决这一问题，本课题介绍一种太阳能手机充电器，它使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充电，
4、并能在电池充电完成后自动停止充电。第一章 概述1.1 选题的意义在电力电子的领域中，对于电源供应器（Power Supply）有两种不同的设计方式，一种线性式电源供应器（Linear Power Supply），一种是切换式电源供应器（switching Power Supply）。虽然线性式电源供应器具有较小的涟波、较高的可靠度及没有电磁干扰，但却有效率低及体积大等缺点；而切换式电源供应器虽具有体积小且轻，功率转换效率高及较大的输入电压范围的优点，但的涟波、噪声，以及电磁干扰的产生也不可忽略的问题。近几年来，功率半导体、控制电路与被动组件的研究快速，制造厂商要求效率的提升，成本降低等条件日渐
5、严苛，而 SPS 正能符合其所需，故本专题的研究方向，将针对 SPS 来做探讨。本专题所研究的部分是在切换式电源供应器中的降压型转换器（Buck Converter），使用降压型转换器及太阳能当电源，使手机能在太阳光（灯光）照射下对手机充电，不需外加电源使用性方便。操作在直流对直流转换连续导通模式（Continous Condition Mode；简称 CCM），所使用之方法是：先经过 IsSpice 仿真软件，来针对电路进行仿真分析，等分析确定无误后，使用 Protel DXP 将模拟出来的结果以布线的方式来规划硬件电路。而太阳能电池为单晶硅，阳光照射下输出 8V 至 25V，使用降压式电源
6、转换器使电压降至稳定的直流 6V 接至手机使手机充电。完成太阳能手机充电器，太阳能板在经过阳光照射下输出电压经过降压电源转换器对手机充电。1.2 太阳能电池发电原理利用电位差发电，无电磁波产生太阳电池 （solar cell）是以半导体制程的制作方式做成的，其发电原理是将太阳光照射在太阳电池上 ，使太阳电池吸收太阳光能透过图中的p-型半导体及n-型半导体使其产生电子（负极）及电洞（正极），同时分离电子与电洞而形成电压降，再经由导线传输至负载。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应制作。简单来说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收 0.2
7、m0.4m波长的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，将直流电转换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。太阳能制造厂商将太阳能电池称为cel，国内业者则惯称芯片，把晶片（或依设计所需要的电流进行芯片切割后）焊上箔条导线再将许多焊好的芯片用箔条串联成一组，再和 EVA，tedlar 与低铁质强化玻璃层层迭迭，一同放入层压机的机台上做真空封装，制成为模块或称太阳能板，将若干太阳能板组成方阵，接配上过充放保护控制及深（循环）放电蓄电池（铅钙）以及逆转流器（直流转变为交流）合称为太阳能电力系统,又称太
8、阳能发电站。一般太阳能光电商品,其太阳能输出电流如果在300毫安（mA）以下时，都只会在太阳能板正极输出端，接装一个负载极微小的防逆二极管（消基二极管）以防止蓄电池内的电流逆流回到太阳能板,如此，就可以接上蓄电池使用.1.3手机太阳能充电器发展及新技术太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，只要一照到光，瞬间就可输出电压及电流。而此种太阳能光电池简称为太阳能电池，又可称为太阳能芯片。在中国大陆称为硅芯片在物理学上称为光生伏打（Photovoltaic），简称PV （photo=light 光线voltaics=electricity电力）。硅为目前通用的太阳能电池之原料代表；而在市
9、场上又区分为晶硅及非晶硅两大类。非晶硅由于发电效率比较低，且长期寿命不如晶硅，运用在中大型发电系统的机会比较少，通常的运用为个人化运用产品，如手电筒、计算器等；也有一些设计为建材屋瓦、壁面或帷幕墙的运用，但均非太阳能发电系统主流产品。1-4 太阳能电池特性 太阳能电池等效电路，其中等效电流源iph 之大小与太阳能板所接受的日射量成正比，电流源itp 为温度变化时等效电流源的修正，P-N 接面存在一非线性电阻Rj，代表P-N 二极管的顺向电阻，Dj为理想的P-N 二极体，vtp为温度变化时二极管障壁电位的修正电压，Rs及Rsh为电池本身的串联及并联电阻。而Ro为外接负载，ipv、vp 为太阳能电
10、池输出电流及电压。iRj 是非线性电阻上的电流，Isc 为太阳能电池短路电流，Vmp、Imp 为太阳能电池最大功率点的电压、电流，vpv为太阳能电池输出电压，Voc为太阳能电池开路电压。 图1-1太阳能电池等效电路在实际的应用情况中，日射量、温度改变时，太阳能板的特性也会跟着改变，因此需加以修正。其中iph为太阳能电池等效电路中的电流源，Lref为参考的日射量，L 表示为太阳光改变后的日射量，Iref为参考日射量下太阳能电池等效电路中的电流源， a 为电流温度系数， b 为电压温度系数，Tref 为参考温度。可以从图1-6及图1-7看出，当日射量、温度改变时，对太阳能电池V-I 特性的影响，其
11、中日射量的增加伴随着短路电流的上升，并且对于开路电压则有微小的上升，此外随着温度的增加使二极管的障壁电位减少，因此太阳能电池的开路电压下降，短路电流会有些微上升。 图1-2 图1-3 不同温度下的太阳能模块V-I2.1充电器的技术参数（1）空载时电路输出电压约为4.2V。（2） （2）正常时约为40mA，充电电流约为85mA。（3）（3）采用恒压跟踪（CVT）方式实现对太阳电池的最大功率跟踪2.2常见充电电池特性及其充电方式电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的，由于使用的化学物质的不同，电池的特性也不同，其充电的方式也不大一样。电池的安全充电 现代的太阳能充电器需要能够对单元
12、电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。充电方法 SLA 电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流； NiCd 电池和NiMH 电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。最大充电电流 最大充电电流与电池容量（C） 有关。最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。例如，电池的容量为750 mAh，充电电流为750 mA，则充电电流为1C （1 倍的电池容量）。若涓流充电时电流为C/40，则充电电流即为电池容量除以40。过热 电池充电是将电能传输到电池的过程。能量以化学反应的方式保存了下来。但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。一些电
13、能转化成了热能，对电池起了加热的作用。当电池充满后若继续充电，则所有的电能都将转化为电池的热能。在电池充满电后对电池容量的检测使充电器停止对电池充电是很重要的，这样可以避免对电池的损坏使电池的寿命。3.1降压式电源转换器3.1.1 电路分析为了产生一纯直流的输出讯号，平均输出电压会小于直流输入电压，可提供单极性的输出电压与单向输出电流。可应用在输入与输出不需隔离且输入电压比输出电压大的地方，降压转换如图 3-1 所示。 图 3-1 降压转换器为了得到一直流电位，加了一个开关。做了一个整流器，使交流准位变成一直流准位。可利用二极管、闸流体、MOSFER、BJT作为电路上的电子开关组件。利用正半周
14、导通，负半周截止的特殊来作为开关。但因为从整流器所流出来的直流信号并不是很理想，所以在整流器后加装了一个低通滤波器来输出信号趋于完美。以 R、C 电路控制输出波形的稳定，让波形上下的振幅减小，已得到较佳的品质的直流输出信号。3.1.2 连续导通模式开始分析转换器前先做以下假设：1. 电路操作于稳态情况下。 2. 电感电流为连续（永远为正）。3. 电容太大，输出电压保持固定为 VO，此限制稍后会放松以指出有限电容之影响。4. 切换周期为T ；开关闭合时间为 DT ，打开时间为（1 D）T 。5. 组件为理想 当输入为一正弦波时，再开关闭合时，VX会等于VS，会对电感充电。而在开关打开时，VX会等
15、于 0，因而流过电感的电流将为正的，不会有负的出现，使二极管继续导通。直到下一个正半周出现时，二极管才截止，VX才又会等于VS。使开关有个导通比 D = 因而使在滤波器输入端的平均电压为VsD 。而电感电流又分两种模式，连续导通模式与非连续导通模式。在一个周期内，正半周电源对电感充电，负半周对电感放电，到下一个周期来的瞬间电流没有为零，称为连续导通模式。反之，如果放电至零时，则称为不连续导通模式。降压式转换器当操作于稳态下时，会有下列特性：1. 电感电流为周期性：iL（t + TLt） = i （ ）2. 平均电感电压为零：3. 在理想状态下，电源所提供功率与传递至负载之功率相同。若组件非理想
16、下，则电源还提供功率损失：PS= PO （理想状态） PS= PO+ 损失 （非理想状态） 4. 理想状态下为电路操作在稳态下，且电感电流为连续导通模式，各个组件皆为理想组件。且电容很大，让输出电压保持固定为 VD。决定输出电压VO之分析重点为先检视开关闭合之电感器电流与电压，然后再检视开关打开时之电压与电流。稳态操作下电感电流一周期之净变化必须为零，平均电感电流也为零。开关闭合时之分析图 3-2 开关闭合之电路图当开关闭合时，因为二极管为逆偏压，所以没有电流流过体成开路现象，电源电压就自然的跨在二极管的两端.而在理想状态下、稳态操作时要求在切换周期结束时之电感器电流与开始相同，电感电流一周期
17、内会变化为零。非连续模式在暂这里不做详细的介绍。3.2脉波宽度调变度（PWM）目前大多数的切换式电源供应器都为脉波宽度调变（PWM）的形式。此种方法乃改变转换晶体管的导通时间，并在 ON 期间内来控制及调整输出电压至预定之值，虽然也可用其它方法来做控制和稳压，但是 PWM 的方法能提供极优性能，例如较紧密的线路与较好的负载稳压率，而且在温度变化时有较好的稳定度。最近几年有许多集成电路备发展出来，包括了设计整个切换式电源供应器所需之功能，只要增加一些外部组件，就可以设计出切换式电源供应器。虽然切换式电源供应器可以用许多转换的方法来达成，但是使用固定的 PWM 方法却是最受欢迎的一种。在 PWM
18、系统中所产生的方形脉波可用来推动转换晶体管至 ON 或 OFF 状态，因此我们借故改变脉波的宽度，则转换晶体管的导通时间就会适当地减少或增加，如此输出电压就可以达到稳压的状态。PWM 控制电路可以是单端的形式，能够驱动单一晶体管的转换器，如反驰式或顺向式转换器。如果有两个以上的晶体管被驱动，则可以使用半桥式或全桥式电路，如此就需要用到双波道 PWM 电路。在 1970 年代初期，切换式电源供应器开始扩大其商业市场，此时积体电路制造厂商开始尝试以单一芯片来制造提供 PWM 控制电路，首先出现于市场的 PWM 控制电路为 Motorola 公司的 SG3524 的 PWM 控制电路，此种形式的控制
19、电路已成为工业上的标准（industry standard）。PWM 控制电路乃为整个切换式电源供应器的心脏部份，不仅可用于单端式，亦可为双波道的应用，不久之后制造厂商也开始推出改良过更而且具特色的 PWM 控制电路，例如德州仪器公司（Texas In-struments）就是改良SG3524 而推出 TL-494PWM 控制电路，其所提供的特色为可调整截止时间的控制电路，输出晶体管具有高输出或高输入的能力，改进电流限制的控制能力，及输出操控电路等。以我们所介绍过的功率型 MOSFET 来说，首先 PWM 控制电路是以 图腾极（totem-pole）输出，出现能够直接驱动双极式，而且也能够直接
20、来驱动MOSFETs。例如 SG1525A 与 SG1526 系列，除了先前所提到控制电路的一 些 特色外，而这些新的 IC 亦增加了一些特色，如欠压锁定（under-voltage lookout），可规划性的柔性启动，数字电流限制，以及操作频率可达至400kHz。虽然以上所叙的所有电路可被应用于流行的切换模式技术上，但是最近有些公司已推出极佳的 PWM 控制器，在顺向式或驰反式功率转换器上具有很高的效率此种电路为 Motorola 公司的 MC34060PWM 控制器，此种控制器包含所有的特色。因此仅需使用极少量的外部组件，就能实现完成顺向式或反驰式的设计。另外一种电路为 Unitrode
21、 公司的 UC1840 系列，此种控制电路在单端式功率转换器的设计上具有很好的效果。而且 PWM 控制电路包含所有的控制、驱动、侦测与保护的效果。因此仅需在外部再增加一些被动组件，就能够成一个完整的切换式电源供应器。此种控制器的特色为低电流，非在线启动电路;而且具有过电压（over-voltage）、欠电压（under-voltage）与过电（over-current）保护电路;而前馈的线稳压率（feed-forward line regulation）可超过 4:1 的输入范围操作频率可达 500kHz 等。直流至直流转换器责任周期之调整可以藉由 PWM 来达成。PWM 之原理如图（3-1）
22、所示，利用控制电压 Vcon 与锯齿波 Vtri 做比较以得到开关之切换信号 T。开关之切换信号 T 图 3-3 PWM 原理使用材料TL-494 1LM-311 1 LM-351 电阻：2K 30K 10K 可变电阻：100K 1 电容：0.001F 图3-4 TL-494PWM控制电路原理图 TL-494 为固定频率的 PWM 电路，它结合了全部方块图所之功能，在切换式电源供应器里可单端式或双波道式的输出控制。如图 3-1 所示为TL-494控制器的内部结构与方块图其内部的线性锯齿波震荡器乃为频率可规划式（frequency programmable），在脚 5 与脚 6 连接两个外部组件
23、 RT与 CT，既可获得所需之频率其频率可由（3-2）式计算得知fOSC=1.1/RTCT电容器CT截止时间比较器回授PWM比较器正反器时钟输入正反器Q正反器QQ1射极输出Q2射极输出输出模控图 3-5 TL-494 控制器的内部结构与方块图输出脉波宽度调变之达成可藉在电容器 CT 端的正锯齿波与两个控制信号中的任一个做比较而得知。电路中的 NOR 闸可用来驱动输出电晶体 Q1 与 Q2，而且仅当正反器的时钟输出信号是在低标准位时，此闸才会在有效状态，此种情况的发生也是仅当锯齿波电压大于控制信号电压期间里。当控制信号的振幅增加时，此时也会一致引起输出脉波宽度的线性减少，如图 3-8 所示的波形
24、图。外部输入端的控制信号可输入至脚 4 的截止时间控制端，与脚 1、2、15、16 误差放大器的输入端，其输入端点的抵补电压为 120mV，其可限制输出截止时间至最小值，大约为最初锯齿波周期时间的 4。当教 13的输出模控制端接地时，可获得 96最大工作周期，而当第 13 接脚接至参考电压时，可获得 48最大工作周期。如果我们在第 4 脚截止时间控制输入端设定一个固定电压，其范围由 0V 制 3.3V 之间，则附加的截止时间一定出现在输出上。PWM 比较器提供一个方法给误差放大器，乃由最大百分比的导通时间来做输出脉波宽度的调整，此乃借着设定截止时间控制输入端降至零电位，而此时再回授输入脚的电压
25、变化可由 0.5V 至3.5V 之间，此两个误差放大器有其模态（common-mode）输入范围由-0.3V 至（Vcc-2）V，而且可用来检知电源供应器的输出电压与电流。误差放大器的输出会处于高主动状态，而且在 PWM 比较器的非反相输入端与其误差放大器输出乃为或门（OR）运算结合，通常第一个误差放大器都使用参考电压和稳压输出的，电压做比较，其回路增益可依靠回授来控制。而第 3 脚通常用做频率的补偿，它主要目的是为了整个环路的稳定度，特别注意的是运用回授时必须避免第 3 脚的输入过宰电流大于600A，否则最大脉波宽度将会被不正常的限制，此两种误差放大器，都可利用不管是正相或反相放大器都可用来
26、稳压。第二个误差放大器可用来做过电流检知回路，可使用检知电阻来与参考电压源做比较，这回路的工作电压接近地端，而此误差放大器的转换率（slew rate）在 7V 之 Vcc 为 2V/us，但无论如何在高频运用中。由于脉波宽度比较器和控制逻辑的传播延迟使得他不能用为动态电流限制器。它可运用于恒流限制电路或者外加组件作为电流回迭（current feed-back）的限流装置，而动态电流限制最好能使用截止时间控制输入端的第 4 脚。当电容器 CT 放电时，在截止时间比较器输出端会有正脉波信号输出，此时钟脉波可控制操作正反器，且会溢至输出晶体管 Q1 与 Q2，若将输出模控制的第 13 脚连接到参
27、考电压准位线此时在推挽式操作下，则两个输出晶体管在脉波信号调变下会交替导通，这时每一个输出的转换频率是震荡器频率的一半。当以单端方式（single-ended）操作时，最大工作周期须少于 50，此时输出驱动可至晶体管 Q1 或 Q2 取得，若在单端方式操作下需要较高的输出电流，可以将 Q1 与 Q2 晶体管以并联方式，而且输出模控制的第 13 脚必须接地，则使正反器在失（disable）状态，此时输出的转换频率乃相当于震荡器之频率。因此 TL-494 约两个输出级可以用单端方式或是推挽方式来输出，两个输出关西是不被拘束的，两个集极和射极都有输出端可兹利用，在共射极下状态下，集极和射极电流在 2
28、00mA 时，集极和射极电压大约在 1.1V，而在共集极结构下的电压是15V，在输出过宰之下两个输出都有保护作用，一般这两个输出在共射极的转换时间为 tr=150ns，tf=50s，所以我们可以知道其转换率速度非常的快，操作频率可达 300KHz，再 25时输出漏电流般都小于 1A。 图3-6 TL-494 接脚图 脚位功能说明第1、2脚是误差放大器大器的同相输入端和反相输入端。第 3 脚是相位校正和增益控制。第 4 脚为死区控制，其上加 03.3V 电压时可使截止时间从 2%线性变化到 100%。第 5、6 脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容。第 7 脚为接地端。第 8、9 脚为 TL-494
29、 内部两个末级输出三极管集极。第 10、11 脚为 TL-494 内部内部两个末级输出三极管射极。第 12 脚为电源供电端。第 13 脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接 14 脚时为推挽输出方式。第 14 脚为 5V 基准电压输出端，最大输出电流 10mA。第15、16 脚分别为控制比较放大器的反相输入端和同相输入端。4.1 CCM 与 DCM 模拟与实作在做电路实作之前，我们必须要知道各数据的考量以及最后实作出来的波形是否为我们所要的波形，所以我们在进行实作之前先使用IsSpice这套电路仿真软件来仿真我们之后要进行的实作电路。在经过模拟测试后才依序进行往后的步骤来达到我们所要的状况。4.2 闭回路控制之电路实作我们利用 TL-494 这颗 PWM IC 及一些被动组件结合成的闭回路系统来达到我们所要的结果，而为什么我们要做闭回路控制呢?为了使输出电压在电源或负载变动时达到稳压。前面我们先用面包板接电路，如图 4-18 测试电路的可行性，然后使用 Protel DXP 规划出最精简的电路布线图，如图 4-1IC： 1 MOSFET：IRF9540
