2024年1月8日发(作者：钮逸馨)
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手机太阳能充电器的设计方案
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
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
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晶硅,照射下输出 8V 至 25V,使用降压式电源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
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,太电的发电原理,是利用太阳电池吸收 0.2µm～0.4µm波长的太,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,又称太阳能发电站。
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一般太阳能光电商品,其太阳能输出电流如果在300毫安
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
硅为目前通用的太阳能电池之原料代表；而在市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- 3 - / 21
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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-I
第2章 设计方案
2.1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- 4 - / 21
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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
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。
第3章 手机充电器电气的设计
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,- 5 - / 21
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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 −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=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,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：
因而使在D>T。
iL
i < >
2. 平均电感电压为零：
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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。若组件非理想下,则电源还提供功率损失：
PSPO <理想状态>
PSPO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
3.2.1 脉波宽度调变
目前大多数的切换式电源供应器都为脉波宽度调变
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- 7 - / 21
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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 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,此种形式的控制电路已成为工业上的标准
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,例如仪器公司 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- 8 - / 21 . 是以图腾极 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 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 3.2.2 脉波宽频调变实作 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>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 - 9 - / 21 . 使用材料 TL-494×1 LM-311×1 LM-351×1 电阻：2KΩ ×1 电阻：30KΩ ×1 电阻：10KΩ ×1 可变电阻：100KΩ ×1 电容：0.001µF ×1 图3-4 TL-494PWM控制电路原理图 3.2.3 TL-494PWM控制电路 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控制器的部结构与方块图其部的线性锯齿波震荡器乃为频率可规划式 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Q￣ Q1射极输出 Q2射极输出 输出模控 图 3-5 TL-494 控制器的部结构与方块图 - 10 - / 21 . 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变化可由 0.5V 至3.5V 之间,此两个误差放大器有其模态 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 - 11 - / 21 . 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 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 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 200mA 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ㄧ般都小于 1µA。 图3-6 TL-494 接脚图 脚位功能说明 - 12 - / 21 . 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 0～3.3V 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 部两个末级输出三极管集极。 第 10、11 脚为 TL-494 部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。 第4章 充电器转换器电路设计 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- 13 - / 21 . 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 4-1 使用材料 IC：TL-494 × 1 MOSFET：IRF9540 × 1 二极管：1N5819 × 1 电感：150µH × 1 电容<瓷>：300PF × 1 电容<瓷>：1000PF × 1 电容<瓷>：0.1µF × 1 电容<瓷>：0.02µF × 1 电容<电解>：3.3µF × 1 电容<电解>：100µF × 1 电容<电解>：200µF × 1 电阻:300Ω × 1电阻:500Ω × 1电阻:5.1KΩ × 1 电阻:10KΩ× 1电阻:20KΩ× 1 可变电阻:100KΩ× 2 图 4-2闭回路实作电路图 电路板完成后测试不同的输入电压,观察输出电压是否稳定的 6V 达到我们所要求的围。使用直流电源供应器当电源输入端。 工作过程 当反馈信号大于设定值时,通过TL494的脉宽调制作用,其9脚与10脚并联输出信号的脉宽减小,这个输出信号再经整流滤波电路及隔离与放大输出电路,使最后输出的直流控制信号的电- 14 - / 21 . 压相应下降。直流控制信号通过控制电路经执行机构〔如电动机、电热管等使被控制量下降,再进而通过传感器使反馈信号降低,形成单回路闭环控制。当反馈信号小于设定值时,上述控制过程相反。另外,还可以根据被控制系统的具体情况,来调整输入二阶低通滤波器的电容大小,使控制过程及时、准确、稳定。再有,为使控制过程直观,还应加上设定量及被控制量的显示〔指示电路。可从两个输入端取出信号,然后分别通过隔离放大电路〔如用运算放大器组成的电压跟随器送到表头指示。表头可采用多功能数字式电子表头成品或直接用满量程5V的机械表示。 图 4-3输出电压为稳定 6V 图 4-4输入电压由 0V 变化至 24V 之输出电压 直流电源充电器 BUCK 水泥电阻 图 4-5负载变动示意 电路 图 图 4-6 10Ω→30Ω 图 4-7 30Ω→10Ω Monolithic power System Inc 在汽车或电信系统等电池供电的应用场合,变换器始终保持在线状态,因此最大限度地保证电池有效工作时间显得至关重要。MP2467在宽负载围的高效率特别是极小静态工作电流的特性使其非常适用于这些场合。其较高的开关频率允许选取体积小的外部电感器和电容器,其采用耐热增强型SOIC-8E封装,由MPS独特的- 15 - / 21 . BCD工艺集成控制所需的振荡器、逻辑控制电路和驱动电路,因此可组成占板面积紧凑、热效率高的低成本解决方案。 电流模式控制实现快速瞬态响应及逐周期的限流保护。降频 其它特点包括外部开关机控制 本文通过建立Buck变换器的模型,并且在这一模型的基础上,通过最小二乘算法获得了的变换器参数辨识的方法。这种方法适用于CCM和DCM工作模式的变换器的参数辨识,能够推广到其他开关变换器,并且能够被应用于在线参数辨识和故障自动诊断系统。通过对变换器的滤波电感、滤波电容及其等效串联电阻的参数辨识的实验,验证了这一方法的有效性和准确性。 构建了Buck变换器参数辨识的方法。通过检测电感电流和输出电压的波形信号,可辨识出电路的滤波电感、滤波电容及其等效串联电阻,并可应用于参数在线辨识,故障趋势判断和预知维护。 在Buck变换器建模中,开关器件被视作理想器件。电容的等效串联电阻 - 16 - / 21 . 元器件的软故障,如电容、变压器、电感、开关器件特性劣化等参数性故障,会降低变换器的工作性能和安全性,影响输出指标,严重的会引发开关器件短路或开路故障,从而造成严重的经济损失。因此,有必要研究变换器的参数,但在这里不做详细的介绍。 图4-8实作波形 图4-9输出三角波 图4-10输出三角波放大三倍 图4-11经比较器输出之方波 第五章 结论 对于我们制作专题过程我们以下列三点作为结论 1.成果 利用降压式电源转换器将太阳能所产生的直流电,转成稳定而可利用之直流电后直接送至手机进行充电。图 5-2 为本组在制作专题的流程图说明如下： 决定题目：太阳能手机充电器。 搜集相关资料文献：搜集与太阳能相关资料,并加以分析整理。系统分析、电路分析：分析与本专题相关之系统与电路,研究其可行性,经整理之后重新设计成适合本专题之电路。 找寻组件：找寻所需之组件,包括其额定及特性数据。 组装组件：将组件依所设计之电路组装起来,以便测试。 测试：进行测试,取得相关数据,以及确认电路系统之可行性。 可行性：判断电路是否可行,整合上有无问题,运作上是否达到要求,若不能达到要求,则需重新作电路分析与系统分析。 系统整合：如图 5-1 将各部分电路进行整合,进行最后测试 - 17 - / 21 . 成品：若一切都没问题就完成本专题了,再将整个系统作一个整理,及进行善后工作,并将整个专题之制作过程、运用资源、分析报告、测试数据等作一总整理。 太阳能充电器 图机充电器系统图 2 心得 这次的太阳能手机充电器专题制作,着实让学生获益良多。比如IsSpice 这套电路仿真软件的操作,以前完全没碰过这套软件,必须从头一步一步的摸索,遇到问题就必须去找书或找同学请教,同学也都不吝将所会的教授于我,学习到许多使用软件的技巧。在实作电路时也碰到许多问题,例如输出的电压不能稳定 9540 必定烧毁,需更换>、太阳能板连接到 BUCK 稳压电路时输入电压过小 3.未来展望 利用大自然的能源来提供电力,是未来的趋势,在本专题中,成功达到手机充电的目的,但这只是一个很基本的系统,以下条列出本专题所未考虑到的问题。 1.未使用蓄电池,无法在有时将太阳所产生的电力储存起来,以致于充电时段必须受的影响。 2.缺乏太阳能最大功率追踪,无法有效的将系统功率有效的- 18 - / 21 稳定 5-1 手机 太阳能手 . 提升。 3.缩小太阳能电池,把整个电路设计封装成一个可携带可随时充电的成品。 毕业设计总结 第一节 主要成果 本次毕业设计在自己的努力,同学的帮助,老师的指点下已全部完成,结果重要,过程也很珍贵,因为好的结果必然得经过一个艰辛的过程,而从这个坚信的过程中我获得了珍贵的经验和教训,仔细认真的总结将对自己是个质的提升。现先将此次毕业设计的成果简要汇报如下： •完整的电池充电器设计方案 •支持多数电池类型 •充电参数易修改 第二节 经验总结和感 当毕业论文写到这里的时候,为期几个个月的毕业设计基本要画上句号了,四个月的时间可以说长也可以说短,但这一百多天的时间里,在田林红老师的耐心指导下,自己可谓有了一个全新的提高。与几个同学的帮助下,毕业设计也较顺利圆满地完成了。 - 19 - / 21 . 此次我的毕业设计的课题是"太阳能充电器的设计",一开始拿到这个课题确实也是一头的雾水,不知道该如何的下手,也就在毕业设计的开始阶段,田老师为我们指出了此课题的大概方向和需要查阅的相关书籍以及在后面会遇到的主要问题,当时可谓受益颇多。接下来便是查阅相关的文献资料,和上网搜集相关的信息,学习与设计相关的知识,学习各电器元件的功能作用即用法。尽管设计已经完成,可是在结构的设计及调试过程中还有许多不足,这使我发现我对相关的知识了解与应用还是不够扎实,特别是有关充电器充满时的标志设计与检验方面还不完善,仍需更多的去学习。 在学习了相关于本次设计的知识后,我便开始了实际的设计部分,在这个过程中确实也遇到了相当的问题和困难,比如电路的设计即连接方法等,在此我也要感田老师在此过程中给与的耐心指导。 实践是检验真理的唯一标准,经过几年的理论学习而这次在即将走向工作岗位的时候能将理论与实践相结合的机会来锻炼自己可谓是难得的一次提高,在此感学校为我们安排的这个教学环节,也感在此次设计过程中给与我极大帮助和理解的田老师以及代过我们课的每个老师和给过我帮助的同学们。 参考文献: 《电子技术》 王廷才, 高等教育,2006 《电子线路实验与课程设计》 黄永定 机械工业2005 - 20 - / 21 . 《实用电子小制作精选》 帮文 人民邮电 2006 《电工基础 谭恩鼎》 瞿龙祥 高等教育 2001 《电子技能与实训》 怀刚 王廷才 高等教育 2006 《Protel DXP 计算机辅助电路设计全纪录》全华出版 义和编着 2003 《降压型电源转换器分析、模拟、实作与闭回路控制"专题制做》忠义,徐麒翔,游,惟琢编着,2005 - 21 - / 21
2024年1月8日发(作者：钮逸馨)
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手机太阳能充电器的设计方案
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
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
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晶硅,照射下输出 8V 至 25V,使用降压式电源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
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,太电的发电原理,是利用太阳电池吸收 0.2µm～0.4µm波长的太,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,又称太阳能发电站。
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一般太阳能光电商品,其太阳能输出电流如果在300毫安
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
硅为目前通用的太阳能电池之原料代表；而在市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- 3 - / 21
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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-I
第2章 设计方案
2.1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- 4 - / 21
.
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
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。
第3章 手机充电器电气的设计
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,- 5 - / 21
.
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 −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=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,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：
因而使在D>T。
iL
i < >
2. 平均电感电压为零：
- 6 - / 21
.
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。若组件非理想下,则电源还提供功率损失：
PSPO <理想状态>
PSPO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
3.2.1 脉波宽度调变
目前大多数的切换式电源供应器都为脉波宽度调变
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- 7 - / 21
.
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 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,此种形式的控制电路已成为工业上的标准
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,例如仪器公司 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- 8 - / 21 . 是以图腾极 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 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 3.2.2 脉波宽频调变实作 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>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 - 9 - / 21 . 使用材料 TL-494×1 LM-311×1 LM-351×1 电阻：2KΩ ×1 电阻：30KΩ ×1 电阻：10KΩ ×1 可变电阻：100KΩ ×1 电容：0.001µF ×1 图3-4 TL-494PWM控制电路原理图 3.2.3 TL-494PWM控制电路 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控制器的部结构与方块图其部的线性锯齿波震荡器乃为频率可规划式 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Q￣ Q1射极输出 Q2射极输出 输出模控 图 3-5 TL-494 控制器的部结构与方块图 - 10 - / 21 . 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变化可由 0.5V 至3.5V 之间,此两个误差放大器有其模态 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 - 11 - / 21 . 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 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 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 200mA 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ㄧ般都小于 1µA。 图3-6 TL-494 接脚图 脚位功能说明 - 12 - / 21 . 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 0～3.3V 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 部两个末级输出三极管集极。 第 10、11 脚为 TL-494 部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。 第4章 充电器转换器电路设计 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- 13 - / 21 . 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 4-1 使用材料 IC：TL-494 × 1 MOSFET：IRF9540 × 1 二极管：1N5819 × 1 电感：150µH × 1 电容<瓷>：300PF × 1 电容<瓷>：1000PF × 1 电容<瓷>：0.1µF × 1 电容<瓷>：0.02µF × 1 电容<电解>：3.3µF × 1 电容<电解>：100µF × 1 电容<电解>：200µF × 1 电阻:300Ω × 1电阻:500Ω × 1电阻:5.1KΩ × 1 电阻:10KΩ× 1电阻:20KΩ× 1 可变电阻:100KΩ× 2 图 4-2闭回路实作电路图 电路板完成后测试不同的输入电压,观察输出电压是否稳定的 6V 达到我们所要求的围。使用直流电源供应器当电源输入端。 工作过程 当反馈信号大于设定值时,通过TL494的脉宽调制作用,其9脚与10脚并联输出信号的脉宽减小,这个输出信号再经整流滤波电路及隔离与放大输出电路,使最后输出的直流控制信号的电- 14 - / 21 . 压相应下降。直流控制信号通过控制电路经执行机构〔如电动机、电热管等使被控制量下降,再进而通过传感器使反馈信号降低,形成单回路闭环控制。当反馈信号小于设定值时,上述控制过程相反。另外,还可以根据被控制系统的具体情况,来调整输入二阶低通滤波器的电容大小,使控制过程及时、准确、稳定。再有,为使控制过程直观,还应加上设定量及被控制量的显示〔指示电路。可从两个输入端取出信号,然后分别通过隔离放大电路〔如用运算放大器组成的电压跟随器送到表头指示。表头可采用多功能数字式电子表头成品或直接用满量程5V的机械表示。 图 4-3输出电压为稳定 6V 图 4-4输入电压由 0V 变化至 24V 之输出电压 直流电源充电器 BUCK 水泥电阻 图 4-5负载变动示意 电路 图 图 4-6 10Ω→30Ω 图 4-7 30Ω→10Ω Monolithic power System Inc 在汽车或电信系统等电池供电的应用场合,变换器始终保持在线状态,因此最大限度地保证电池有效工作时间显得至关重要。MP2467在宽负载围的高效率特别是极小静态工作电流的特性使其非常适用于这些场合。其较高的开关频率允许选取体积小的外部电感器和电容器,其采用耐热增强型SOIC-8E封装,由MPS独特的- 15 - / 21 . BCD工艺集成控制所需的振荡器、逻辑控制电路和驱动电路,因此可组成占板面积紧凑、热效率高的低成本解决方案。 电流模式控制实现快速瞬态响应及逐周期的限流保护。降频 其它特点包括外部开关机控制 本文通过建立Buck变换器的模型,并且在这一模型的基础上,通过最小二乘算法获得了的变换器参数辨识的方法。这种方法适用于CCM和DCM工作模式的变换器的参数辨识,能够推广到其他开关变换器,并且能够被应用于在线参数辨识和故障自动诊断系统。通过对变换器的滤波电感、滤波电容及其等效串联电阻的参数辨识的实验,验证了这一方法的有效性和准确性。 构建了Buck变换器参数辨识的方法。通过检测电感电流和输出电压的波形信号,可辨识出电路的滤波电感、滤波电容及其等效串联电阻,并可应用于参数在线辨识,故障趋势判断和预知维护。 在Buck变换器建模中,开关器件被视作理想器件。电容的等效串联电阻 - 16 - / 21 . 元器件的软故障,如电容、变压器、电感、开关器件特性劣化等参数性故障,会降低变换器的工作性能和安全性,影响输出指标,严重的会引发开关器件短路或开路故障,从而造成严重的经济损失。因此,有必要研究变换器的参数,但在这里不做详细的介绍。 图4-8实作波形 图4-9输出三角波 图4-10输出三角波放大三倍 图4-11经比较器输出之方波 第五章 结论 对于我们制作专题过程我们以下列三点作为结论 1.成果 利用降压式电源转换器将太阳能所产生的直流电,转成稳定而可利用之直流电后直接送至手机进行充电。图 5-2 为本组在制作专题的流程图说明如下： 决定题目：太阳能手机充电器。 搜集相关资料文献：搜集与太阳能相关资料,并加以分析整理。系统分析、电路分析：分析与本专题相关之系统与电路,研究其可行性,经整理之后重新设计成适合本专题之电路。 找寻组件：找寻所需之组件,包括其额定及特性数据。 组装组件：将组件依所设计之电路组装起来,以便测试。 测试：进行测试,取得相关数据,以及确认电路系统之可行性。 可行性：判断电路是否可行,整合上有无问题,运作上是否达到要求,若不能达到要求,则需重新作电路分析与系统分析。 系统整合：如图 5-1 将各部分电路进行整合,进行最后测试 - 17 - / 21 . 成品：若一切都没问题就完成本专题了,再将整个系统作一个整理,及进行善后工作,并将整个专题之制作过程、运用资源、分析报告、测试数据等作一总整理。 太阳能充电器 图机充电器系统图 2 心得 这次的太阳能手机充电器专题制作,着实让学生获益良多。比如IsSpice 这套电路仿真软件的操作,以前完全没碰过这套软件,必须从头一步一步的摸索,遇到问题就必须去找书或找同学请教,同学也都不吝将所会的教授于我,学习到许多使用软件的技巧。在实作电路时也碰到许多问题,例如输出的电压不能稳定 9540 必定烧毁,需更换>、太阳能板连接到 BUCK 稳压电路时输入电压过小 3.未来展望 利用大自然的能源来提供电力,是未来的趋势,在本专题中,成功达到手机充电的目的,但这只是一个很基本的系统,以下条列出本专题所未考虑到的问题。 1.未使用蓄电池,无法在有时将太阳所产生的电力储存起来,以致于充电时段必须受的影响。 2.缺乏太阳能最大功率追踪,无法有效的将系统功率有效的- 18 - / 21 稳定 5-1 手机 太阳能手 . 提升。 3.缩小太阳能电池,把整个电路设计封装成一个可携带可随时充电的成品。 毕业设计总结 第一节 主要成果 本次毕业设计在自己的努力,同学的帮助,老师的指点下已全部完成,结果重要,过程也很珍贵,因为好的结果必然得经过一个艰辛的过程,而从这个坚信的过程中我获得了珍贵的经验和教训,仔细认真的总结将对自己是个质的提升。现先将此次毕业设计的成果简要汇报如下： •完整的电池充电器设计方案 •支持多数电池类型 •充电参数易修改 第二节 经验总结和感 当毕业论文写到这里的时候,为期几个个月的毕业设计基本要画上句号了,四个月的时间可以说长也可以说短,但这一百多天的时间里,在田林红老师的耐心指导下,自己可谓有了一个全新的提高。与几个同学的帮助下,毕业设计也较顺利圆满地完成了。 - 19 - / 21 . 此次我的毕业设计的课题是"太阳能充电器的设计",一开始拿到这个课题确实也是一头的雾水,不知道该如何的下手,也就在毕业设计的开始阶段,田老师为我们指出了此课题的大概方向和需要查阅的相关书籍以及在后面会遇到的主要问题,当时可谓受益颇多。接下来便是查阅相关的文献资料,和上网搜集相关的信息,学习与设计相关的知识,学习各电器元件的功能作用即用法。尽管设计已经完成,可是在结构的设计及调试过程中还有许多不足,这使我发现我对相关的知识了解与应用还是不够扎实,特别是有关充电器充满时的标志设计与检验方面还不完善,仍需更多的去学习。 在学习了相关于本次设计的知识后,我便开始了实际的设计部分,在这个过程中确实也遇到了相当的问题和困难,比如电路的设计即连接方法等,在此我也要感田老师在此过程中给与的耐心指导。 实践是检验真理的唯一标准,经过几年的理论学习而这次在即将走向工作岗位的时候能将理论与实践相结合的机会来锻炼自己可谓是难得的一次提高,在此感学校为我们安排的这个教学环节,也感在此次设计过程中给与我极大帮助和理解的田老师以及代过我们课的每个老师和给过我帮助的同学们。 参考文献: 《电子技术》 王廷才, 高等教育,2006 《电子线路实验与课程设计》 黄永定 机械工业2005 - 20 - / 21 . 《实用电子小制作精选》 帮文 人民邮电 2006 《电工基础 谭恩鼎》 瞿龙祥 高等教育 2001 《电子技能与实训》 怀刚 王廷才 高等教育 2006 《Protel DXP 计算机辅助电路设计全纪录》全华出版 义和编着 2003 《降压型电源转换器分析、模拟、实作与闭回路控制"专题制做》忠义,徐麒翔,游,惟琢编着,2005 - 21 - / 21