论太阳能无线充电器的设计与制造.docx

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论太阳能无线充电器的设计与制造

毕业设计论文

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题目论太阳能无线充电器的设计与制造

指导教师

评阅教师

完成时间：

20年月日

论太阳能无线充电器的设计与制造

摘要：

近年来通过用无线的技术来传送电能已经成为可能，并且已经有许多公司将这种技术应用于无线充电领域，而随着充电效率及充电电压的提高，有望在未来得到普及。

但是无线充电在充电效率方面还是与有线充电有着一定的差距，因此造成的能源浪费无法避免。

目前公认最为绿色的能源是太阳能，如果能够通过太阳能电池将能量接收并贮藏起来再对手机等电子产品的内置锂电池进行充电，这样既利用了太阳能达到了节能的作用，而且相对于市电的220V又多了几分安全。

对于远距离无线传送电能需要的技术含量极高，但是无线充电电路对距离的要求较短，电路相对简单，所以将以上各部分电路集合在一单层PCB板或双层PCB板上进行批量生产是可行的。

关键词：

无线充电电路太阳能电池太阳能充电电路电路图印制电路板

Title:

Solarenergywirelessbatterycharger'sdesignandmanufacture

Abstract:

Totransmitelectricitybyusingwirelesstechnologyhasbecomepossibleinrecentyears,andmanycompanieshaveappliedthetechnologytowirelessrechargeareas.Withtheincreasingofchargingefficiencyandchargingvoltage,itisexpectedtobepopularinthefuture.Butthereisacertaingapbetweenthewirelesschargingefficiencyinchargingandchargingcable,thewasteofenergycannotbeavoided.Atpresent,moreandmorepeoplerecognizethemostgreenenergyisthesolarenergy.Ifwecanreceivethesolarenergyandstoreittoelectronicproductsandsoonhandsetbuilt-inlithiumbatteriescarriesonagainthecharge,wewillachievetheenergyconservationfunctionbyusingthesolarenergy.Moreover,itissecurityoppositetocityelectricity220V.Thetechniquecontentwhichneedsregardingthelong-distancerangewirelesstransmissionelectricalenergyisextremelyhigh,butthewirelesschargingcircuitisshorttothedistancerequest.Theelectriccircuitisrelativelysimple.Thereforeabovevariouspartofelectriccircuitswillgatheronasingle-layerPCBboardorthedouble-deckedPCBboardcarryonthevolumeproductionwillbefeasible.

Keywords:

WirelesschargingcircuitSolarcell

SolarenergychargingcircuitcircuitdiagramPCB

目录

1引言………………………………………………………………………………4

1.1无线充电概况……………………………………………………………4

1.2太阳能光伏应用的概况…………………………………………………5

1.3印制电路板制造的基本概况……………………………………………5

2无线充电电路……………………………………………………………………7

2.1无线充电的原理…………………………………………………………7

2.2电路设计前的分析………………………………………………………7

2.3电路的设计………………………………………………………………8

2.4无线充电电路的电路图…………………………………………………10

3太阳能充电电路…………………………………………………………………11

3.1太阳能充电的原理………………………………………………………11

3.2电路设计前的分析………………………………………………………12

3.3电路的设计与电路图……………………………………………………13

4各部分电路的衔接与总电路……………………………………………………13

5印制电路板的制造………………………………………………………………14

5.1印制电路板制造前的一些工作……………………………………………14

5.2印制电路板制造的工艺流程………………………………………………16

6太阳能无线充电器的应用举例…………………………………………………19

结论…………………………………………………………………………………21

致谢…………………………………………………………………………………21

参考文献……………………………………………………………………………21

1引言

1.1无线充电概况

用无线的技术传送电力，这种想法从19世纪上半叶电磁感应现象被发现之后就已经有了，近年来，国内外许多研究机构和公司，如美国麻省理工学院、powercast（电容）公司等相继研发出了短距离和微距的天线供电技术和产品，他们有着非常广阔的应用前景。

2008年2月15日，一种无需插头与电源线且不直接接电源就能充电的新型混合动力汽车已经在日本投入试运行，用于东京雨田机场航站之间的旅客运输。

该汽车利用电磁感应原理及电能转换等技术用无线的方式实现充电，只需停在设置在路面的电源线圈的正上方就能给汽车内的锂电池快速充电。

该车最高时速为80km/h，如果仅使用电力运行，充电一次可行驶约15km。

平时最常见的例子是，我们上公交车，掏出一张IC卡，在公交汽车门口某处晃动一下，听见“滴”的一声，表示缴费成功，这种非接触式IC卡又称射频卡，由IC芯片感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何露外部分。

非接触型IC本身无电源。

当读写器对卡片进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分组成：

一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的电路产生谐振，产生一定的能量来提供给芯片工作；另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。

这种设备已经广泛应用于城市一卡通、高速公路交费、加油站、停车场、公交等场合。

但是这离传递可观能量的要求还很遥远。

无线电是远距离传递信号的电磁波，无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，无线电技术是通过无线电波传播信号的技术，现在大量的无线电技术应用在无线电广播、电视、各种移动信息以及无线电数据网中。

既然电磁波不需要介质也可能向外传递能量，那么为什么我们现在输送能量还要靠管道和金属导线？

当然，除了经济原因还有技术原因，虽然借助微波人们可以定向性好地用天线较远地传送电力，但是电磁波传递能量效率低、辐射大，离实用还有距离，所以远距离靠电磁波传递能量目前还不现实。

但是，近距离传递能量还是很容易做到的。

1.2太阳能光伏应用的概况

可以说在人类的历史上使用地最多的能源应该是太阳能。

而最近一个世纪以来，特别是进入21世纪以后，人们更加注重将太阳能转化成可以存储的能量，来提供用于特定需要的能量，如太阳能热水器的应用，太阳能发电，太阳能路灯，太阳能充电等等。

进入21世纪后太阳能光伏产业更是蓬勃发展。

据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。

1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达2850兆瓦。

2000年,全球有将近4600家厂商向市场提供光电池和以光电池为电源的产品。

目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划,日本推出的是阳光计划

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，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。

但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。

但是，从长远来看，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，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。

太阳能电池根据所用材料的不同，还可分为：

硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。

所以将太阳能引入无线充电的概念中是非常适合的！

1.3印制电路板制造的基本概况

在生产印制电路板之前，必须先用专业的电路设计软件设计出电路原理图，并用电路原理图生成PCB图形，有了PCB图形，才能按照图形制造出符合特定要求并可实现特定功能的印制电路板。

常用的电路设计软件如Protell99se、CAM350、Genesis2000等等。

对于太阳能无线充电器的生产来说，制造印制电路板是最关键的一个环节。

在这里我们讨论的制造就主要集中在印制电路板的制造。

印制电路板是计算机、移动电话、程控交换机等电子整机设备的重要部件，它的制造流程包括几十甚至一百多道工序，涉及材料学、电化学、光化学、电子技术、印制技术、数控技术、计算机应用技术等多门学科技术。

印制电路或者印制线路的成品板称为印制电路板或者印制线路板。

英文名称是PrintedCiruitBoard（也有称PrintedWiringBoard），缩写是PCB（PWB）。

印制电路板是电子工业的重要部件之一。

几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通信电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了电器互联，都要使用印制电路板。

印制电路板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至影响到商业竞争的成败。

印制电路板的基板一般是由绝缘、隔热并且不容易弯曲的材料所制作而成。

在表面可以看到的细小线路材料就是铜箔，原本铜箔是覆盖在整个板子上的，而在制造过程中部分铜箔被蚀刻掉，留下来的铜箔就变成网格状的细小线路。

这些线路被做成导线（ConductorPattern），用来提供印制电路板上元器件的电路连接。

为了将元器件固定在印制电路板上面，可将管脚直接焊在焊盘上。

焊盘用于固定元器件引脚或引出连线等，焊盘有圆形、矩形等多种形状。

在最基本的印制电路板（单面板）上，元器件都集中在其中的一面，导线则集中在另一面。

这么一来就需要在板子上打孔，这样管脚才能穿过板子到另一面，所以元器件是焊在另一面上的。

因此，印制电路板正反面分别被称为元器件面（Componentside）与焊接面（SolderSide）。

电子元器件的发展促进了印制电路的形成与发展。

印制电路的批量生产和大量使用是由于电子工业发展到了晶体管时代，这期间主要是单面印制电路板。

当发展到集成电路时代后，就出现了双面和多层板。

随着半导体元器件集成度的逐渐提高，引线数增多以及SMT的冲击，在一块印制电路板上容纳的元器件越来越多，因此要求印制电路板布线需要高密度化。

在电性能方面，为了使传输的延迟时间最短，要限制布线长度。

为降低杂音、抗电磁干扰及散热等要提高设计水平。

在制造工艺方面，从设计、各种原材料、设备到工艺和产品检查技术都有了长足进步。

对于专业的印制板厂，目前趋向于生产上档次产品，并向大规模和自动化方向发展。

即依靠科技进步和技术改造，进行工艺、设备的更新和自动化来大量生产表面安装印制板，参与市场竞争和获取更大利润。

在电子整机设备中由于采用了印制电路板，避免了人工接线的差错，实现了自动插装、焊接、和检测。

从而保证了电子整机产品质量的可靠性，还提高了劳动生产效率，降低了生产成本，方便了维修。

2无线充电电路

2.1无线充电的原理

无线电力传输的原理并不复杂，从原理上，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其空间辐射能量强度就越大，电磁振荡的频率至少要高于100kHz，才有足够的电磁辐射。

接着利用功率放大电路提高其振幅以获得更大的能量，通过发射和接收线圈的耦合、对接收的电能进行整流滤波，这样就可以进行电能的无线传输了。

无线充电系统一般由电源电路，高频振荡电路，高频功率放大电路，发射、接收线圈和高频整流滤波电路5部分组成。

2.2电路设计前的分析

无线充电系统的电源部分可以用次级为12V的50Hz交流电源变压器结合普通的整流滤波二极管组成的整流滤波电路组成。

而这部分电路完全可以用太阳能充电电路代替。

高频振荡电路的核心是振荡器，我们可以使用2M的石英晶体来产生振荡，也可以用比较简单的300kHz的振荡电路来产生振荡。

放大电路的作用是将高频信号的能量提升到足以进行无线输送电能的程度。

由于放大后的振荡输出是用于能量功率，而不是信号，所以波形失真并不重要。

输出信号不但要有足够的振幅，放大电路还要简单，符合这些条件的器件和电路有许多，在这里，选用功率场效应管电路或者达林顿管两种电路比较适合。

发射接收线圈是无线充电器的重要桥梁，次级线圈接收到的交流电能信号后要转换成直流信号才能用于锂电池的充电。

发射和接收线圈都可选用直径0.5mm左右的漆包线绕12匝，线圈直径约为8mm。

也就是说如果在手机内部集成一个接收电路，就可以为用电器内的锂电池进行无线充电而无需电源线连接。

2.3电路的设计

对于无线充电电路来说，有三部分最主要的电路：

振荡电路、放大电路和无线接收电路。

这里主要讨论利用多谐振荡器和模拟达林顿管组成的无线充电电路。

2.3.1振荡电路

多谐振荡器产生振荡是最简单的振荡电路，构成振荡电路有多种方法，常见的有用COMS门电路构成的多谐振荡器，电路简单省电，但在经过实验发现振荡幅度不够，高频段更是如此。

所以我们选用的是用晶体管组成的多谐振荡器，用晶体管作多谐振荡器有两种电路：

第一种是集电极—基极耦合多谐振荡器，这种多谐振荡器在低频段效果还可以，但在高频段就无法应用。

因为集电极—基极耦合多谐振荡器的输出上升沿差，为使输出幅度稳定，两只晶体三极管工作在饱和状态，因而使电路的最高工作频率受到限制。

第二种是发射极耦合多谐振荡器，它可以克服第一种振荡器的缺点，两只晶体三极管工作在非饱和状态，提高了三极管的开关速度，从而可以得到更高的振荡频率。

耦合电容接在发射极上，能改善输出波形。

最后我们选用的晶体管多谐振荡器就是发射极耦合多谐振荡器，亦称射极耦合多谐振荡器。

下面图1是三种多谐振荡器的电路图：

（a）CMOS门电路构成的多谐振荡器（b）集电极-基极耦合多谐振荡电路

（c）发射极耦合多谐振荡器

图1多谐振荡器电路

2.3.2功率放大电路

由达林顿管组成的功率放大电路仅一级功放就有一定的功率输出，所以非常适合作为放大器件来用。

达林顿管内部电路比较简单，主要由两级三极管组成，极性只认前面的三极管，用法跟三极管一样，放大倍数是三极管放大倍数的乘积。

所以我们可以用两级三极管模拟搭建，前级用中小功率管S8050，后级用中大功率管2SD882，由于中大功率管耗散功率要大一些，所以最好为其加上散热片。

以下图2是达林顿管内部电路和模拟达林顿管的电路图：

（a）达林顿管电路（b）模拟达林顿管电路

图2达林顿管和模拟达林顿管电路

2.3.3接收电路

次级接收线圈接收的电磁波是高频电磁波，将高频交变电流整流为直流电流是不能用普通整流二极管的，将普通整流二极管用于高频电路，不但效率低下而且会迅速发热烧毁。

影响高频整流效率的主要参数是二极管的反向恢复时间（ReverseRecoveryTime）和结电容（Junctioncapacitance）特别是反向恢复时间影响最大。

从电容二极管的性能来看，肖特基二极管（SchottkyBarrierRectifiers）最显著的特点为反向恢复时间极短（小于10ns），正向导通压降仅为0.4伏左右，属一种低功耗、超高速半导体器件。

但它的反向耐压值较低，一般不超过100伏，因此适宜在低压、大电流情况下工作。

但我们发现应用极为广泛的硅高速开关二极管1N4148的反向恢复时间比肖特基二极管还短，非常适合于高频整流，其主要缺点是整流电流小。

若做成桥式整流电路，整流电流可以大于200mA，在小电流的无线充电中绰绰有余。

所以次级接收电路可以设计成以下的电路：

图3次级接收电路

在上面的电路中，L2为接收线圈，四个硅二极管1N4148组成桥式整流电路，电容C作为整流电容，电源信号通过整流滤波后成为直流电源通过RA为锂电池充电，RA为限流电阻，I为充电电流。

2.4无线充电电路的电路图

综合以上的分析和设计，无线充电电路可以设计成如图4电路。

在图4中我们选用的晶体管发射极耦合多谐振荡器和模拟达林顿管组成无线充电电路，发射极耦合多谐振荡器用两个小功率三极管组成，按图4中的元器件数据，振荡频率约为350kHz。

图4中的元器件中仅最后一级三极管VT4的耗散功率大些，其他的都是比较简单并且容易得到的元器件。

12V的电源由太阳能充电电路提供，电源信号通过射极耦合多谐振荡电路变成高频信号再通过C3和R7组成的耦合电路之后被模拟达林顿管功放电路放大，L1和L2分别是初级和次级耦合线圈，放大后的信号通过L1和L2的耦合被无线传送到次级接收电路，高频交流信号被整流滤波后变成直流电能给3.7V的锂电池进行充电。

图4无线充电电路

3太阳能充电电路

3.1太阳能充电的原理

太阳能充电电路由太阳能电池、充电电路、蓄电池或可充电电池三部分组成。

简单地说，太阳能发电的原理主要是由太阳能电池板接收太阳光，在太阳能电池板的基板上发生光电效应，从而将光能转换成电能；然后将电能通过蓄电池储存起来。

太阳能充电的关键是太阳能电池，太阳能电池其实是一个PN结或者说是一个半导体光电二极管，太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

目前大部分的太阳能电池的光电转换效率都不是太高，大概在15%左右。

但是当许多个太阳能电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池的主要参数一般有空载电压U（V）和短路电流I（A）、两者的乘积P（W）即太阳能电池的功率；其次还有工作电压和工作电流，由于太阳能电池的内阻较大工作电压一般为空载电压的80%~90%，，工作电流一般为短路电流的80%~90%。

不同功率的太阳能电池对电池的充电时长不同，当然，充电时间与电池的容量也有关系。

3.2电路设计前的分析

无线充电电路所需要的电源电压在8V到15V之间，所以，太阳能充电电路作为无线充电电路的电源供应，输出电压也要在这之间。

所以我们可以选用12V的太阳能电池，而储能方面，考虑到铅酸蓄电池体积太大，所以选用了使用8颗1.2V容量1200mAH的7号镍氢电池串接组成9.6V的电池组，用这组电池组给无线充电电路供电完全满足无线充电电路的电压需求。

由于太阳能板不是时时都能接收到太阳光，所以当没有接收太阳光时，充电电池会反过来对太阳能电池板放电，这样很容易造成太阳能电池板的损坏，所以，为了防止充电电池对太阳能电池板的反充电，太阳能充电电路应该要具备防反充电功能，起到保护太阳能电池板的作用。

这可以通过在充电回路中串联一个二极管来实现，注意二极管的正负极接法，而且这个二极管应该是肖特基二极管，因为肖特基二极管的压降比普通二极管要低。

充电电池的充电过程其实就是一个氧化还原反应，而太阳能电池所输出的电压是恒定的，只是电流的大小随接收的太阳光的强度的大小而变化而已。

充电电池的电量是固定的，所以不能无限量地给充电电池充电，充电电池在充电过程中，电池两端的电压是按线性升高的，当电池被充满时，极板上的物质已经达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会升高，而且继续充电会对充电电池造成伤害，此时的电压称为充电终止电压，镍氢电池的终止电压在1.5V左右，那么由8颗7号镍氢电池组成的电池组的充电终止电压是在12V左右。

所以充电电路必须具备防过充功能，在充电电路中串接或并联一个泄放晶体管可以解决这个问题，回路电压的变化可以自动控制晶体管的开关，当电压达到一定值时，晶体管开启，太阳能电池板的电流被晶体管消耗掉，进而阻止其进一步对充电电池充电，起到保护作用。

3.3电路的设计与电路图

知道了太阳能充电电路的设计要求就可以进行太阳能充电电路的设计了。

下面的图5是太阳能充电电路的电路图：

图5太阳能充电电路

在上面的太阳能充电电路中，VD为防反充肖特基二极管，VT是防过充晶体管，当太阳能电池GT没有接收太阳光时，其两端电压为0，肖特基二极管VD能有效防止电池组对太阳能电池的反充电，当电池组充满电时，其两端电压为12V，此时VT导通，太阳能电池产生的电能会被VT消耗掉，从而起到防止过充的作用。

4各部分电路的衔接与总电路

既然知道了整个电路的设计思路，并且也知道了电路的设计要求，所以太阳能无线充电电路的总电路就不难得出了。

综合第3部分和第4部分的电路图和电路分析，太阳能无线充电器的内部电路图可以整理如图6所示。

在图6的电路中，当太阳能电池板接收光照时，太阳能电池板GT将太阳光转换成电能并储存在镍氢电池组GA中，R1和VT1组成过充保护电路；当太阳能电池没有接收太阳光照时，VD1可防止电池组对太阳能电池反充电。

电池组GA作为电源为无线充电电路的发射电路供电，R2、R3、R4、R5、R6、R7、C2、VT2和VT3组成射极耦合多谐振荡器，将电源提供的直流电变成高频振荡信号，通过C3和R8耦合到模拟达林顿管功放电路，R9、R10、VT4和VT5组成的模拟达林顿管功放电路将高频电能信号放大，电能通过L1和L2耦合无线传送到接收电路中，接收电路对电能信号整流滤波后为锂电池GB充电。

假如是为手机进行无线充电，那么接收电路可以集成到手机中。

次级接收电路

图6太阳能无线充电电路

在这一整套电路中，可以在太阳能充电电路和射极耦合振荡器之间加一开关以控制是否充电。

充电时，L1与L2可尽量靠近些