基于多功能手机充电器的设计论文.docx
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基于多功能手机充电器的设计论文
目录
引言..................................................1
1概述............................................2
1.1电池的应用现状...............................3
1.2充电器的设计背景.............................3
1.2.1手机充电器市场需求情况及发展趋势..........3
1.3论文的主要内容...............................4
2锂离子电池特性..................................5
2.1锂离子电池充电器系统分析.................6
2.1.1锂离子快速充电特性........................6
2.1.2锂离子电池快速充电特性....................7
3充电器的基本设计..............................9
3.1充电器的充电时间....................................9
3.1.1锂离子的充电方式..........................9
3.1.2设计电路注意事项..........................9
3.2充电器工作原理...........................10
3.2.1滤波整流...........................................11
4总结....................................................13
致谢...........................................................14
参考文献...........................................................15
附录一充电器的电路全图.........................................16
附表一元器件的数量、规格、封装........................17
引言
随着现在手机的多功能化发展趋势,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,给经常外出的人使用手机但来了不少的麻烦。
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充电,使得外出是因为电池电量不足影响手机的正常使用,为了解决这一问题。
本文介绍了一种多功能手机充电器。
1概述
目前,市场上手机充电器种类繁多,但其中也有很多质量低劣的不合格产品。
在去年产品质量国家监督抽查结果中,将近40%的厂家生产的充电器不合格。
其主要问题出现在:
与交流电网电源的连接,电源端子骚扰电压,辐射骚扰场强和充电电压几个方面。
另外,一些产品的低温性能、额定容量、放电性能、安全保护性能等方面存在质量问题。
这些质量问题会影响到手机的正常使用,还会影响手机的使用寿命,严重时还可能伤害消费者。
现在市场上发现有一些假冒伪劣手机电池便携式充电器。
这些充电器由于价格非常低,携带方便,有许多手机用户更愿意使用这些充电器来对电池进行充电。
劣质充电器实际上就是一个没有安全保证的简易变压器,由于内部缺少保护电路等保证安全的零配件,因而重量较原装品轻很多。
但实际上,由于现在的手机电池多采用锂离子电池或镍氢电池作电芯,对充电器的电压、电流特性及安全保护有很高的要求。
这些假冒伪劣充电器由于设计简单,采用劣质材料,加工手段粗糙,对手机电池的性能和寿命有很大损害。
没有保护电路的充电器,由于不能保证充电时电流的稳定,因而会有烧坏电池甚至爆炸的危险。
目前手机充电器主要有旅行充电器,座式充电器和车载充电器。
厂家生产的原装旅行充电器和座式充电器,设计上都采用越来越精密的保护电路或开关电路设计,对电池的充电起到了良好的保护作用。
车载充电器可以方便用户在汽车上为手机充电,一端插入点烟器,另一端连接手机,但不宜在汽车中长期充电,因为汽车中温度较高。
1.1电池的应用现状
锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比,无记忆效应,可重复充电次数多,使用寿命较长,价格也越来越低。
它的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展,使得选用单节锂离子电池供电的产品也越来越多。
锂离子电池的不足之处在于对充电器的要求比较苛刻,对保护电路的要求较高。
其要求的充电方式是恒流恒压方式,为有效利用电池容量,需将锂离子电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,这就要求较高的控制精度(精度高于1%)。
另外,对于电压过低的电池需要进行预充,充电终止检测除电压检测外,还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施,如检测电池温度、限定充电时间,为电池提供附加保护。
由此可见实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。
锂电池充电器的基本要求是特定的充电电流和充电电压,从而保证电池安全充电。
增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命,简化充电器的操作,其中包括给过放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。
所有或者部分这些功能都可以在充电芯片中实现,当然,也可利用ASIC、分立器件、或在微处理器的基础上用软件实现。
1.2充电池的设计背景
因为所有手机充电器其实都是由一个稳定电源(主要是稳压电源、提供稳定工作电压和足够的电流)加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。
手机常用锂离子(lion)电池的充电器采用的是恒流限压充电制,充电电流一般采用C2左右。
但是每个品牌的锂电池不可能完全一样,里面的芯片铁定有些差别。
而万能充为了满足所有电池,不可能只针对诺基亚一款电池设计,它是根据自己的电板设计,所以有时候它显示充电满了,可是实际还差好多。
最重要的是,用得久了,就会影响电池的寿命,因为电池总是“吃不饱”。
万能充不能提供恒流限压充电制,所以最好不要用它。
尤其是市场上有一些10块钱左右的万能充,对电池手机的危害极大,简直就是毒瘤!
1.2.1手机充电器市场需求情况及发展趋势
1.目前,手机充电器可分为单槽形状和双槽型充电器,单槽形充电器正在受到双槽形的攻击。
双槽形充电器除了具有慢速充电、快速充电、放电及镍镉、镍氢锂电池兼充的标准功能外,还有部分产品带有自动温度控制与电压控制,严防过充的新功能,因而消费者应将倾向于选择双槽型充电器。
2.随着手机种类的日益增多,各种充电器因机型不同,电源端口的大小也不相同,从而不能互换使用,给消费者带来了不便。
标准型充电器,是指可以连接所有手机底端电源插座(端口)的充电器。
而且,生产的手机的电源端口将统一为适用于标准充电器的规格。
这样,消费者将不必在每次换手机时同时购买新的充电器。
由此可见,充电器在从坐式向便携式、双槽式等方向发展的同时,也开始向标准化、通用化的方向发展。
3.手机充电器的待机耗电量的降低逐步成为充电器的设计过程中的一个重要环节。
相比于以前的充电器,今后生产的产品将会在各项功能完善的同时进一步降低本身的待机耗电量。
为了达到这一目标,可以设计一个判断AC适配器是否连接负荷(手机)的IC,当未连接负荷时,将AC适配器的直流输出方(2级电路)切换到高阻抗电路上。
通过采取这一措施可以大幅减少待机时2级电路的消耗电流(可以达到数十μA)。
另外,还可以在输入交流100V方(1级电路)中设置切换电路。
在未连接负荷时,通过开关切换电路来减少供应给直流输出方(2级电路)的功率从而减少耗电量。
4.现在市场上的大部分充电器,只是针对锂电池或镍氢电池充电的,但是随着市场的发展,自动识别两种电池而进行相应的充电进程的充电器正在逐步占据主流。
可以自动分辨锂电池或镍氢电池的座充能“防止将锂电放电的错误动作”,如果在充锂电池时不小心按到了座充上的“放电钮”,好的座充可以辨识出来是锂电池,因此不会做放电动作;差的座充则不管三七二十一地进行放电,这就会造成锂电池寿命的折损。
1.3论文的主要内容
本文内容直接介绍了当今时代的手机充电器和最流行的手机电池——锂离子电池,结合市场需求本文详细介绍了充电器的发展和锂离子电池的特性等。
本着这两点我详细的分析了充电器的工作原理,并设计出了一款多功能手机充电器。
2锂离子电池特性
电子技术的不断发展导致各种电子产品向小型化发展,如手机、数码相机、笔记本电脑等的推广普及。
而电子产品的小型化必须伴随着电源的小型化。
金属锂是所有金属中最轻,氧化还原电位最低,质量能量密度最大的:
这都推动了锂离子电池的发展。
另外由于人们环境保护意识的日益增强,对铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制,这也成了锂离子电池发展的推动力之一。
以下是锂离子电池的特性
1)工作电压高。
通常单节锂离子电池的电压为3.7V。
单体电池即可为3V的逻辑电路供电。
对于要求较高供电电压的电子设备,电池组所需串联电池数也可大大减少。
2)体积小、重量轻、比能量高。
通常锂离子电池的比能量可达镍镉电池的2倍以上,与同容量镍氢电池相比,体积可减少30%,重量可降低50%,有利于便携式电子设备小型轻量化。
3)寿命长。
锂离子电池采用碳负极,在充放电过程中,碳负极不会生成金属锂,从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。
目前,锂离子电池的寿命可达1200次以上,远远高于各类电池。
4)安全快速充电。
锂离子电池与金属锂电池不同,它的负极用特殊的碳电极代替金属锂电极,因此允许快速充电。
采用1C充电速率,可在两小时内充足电,而且安全性能大大提高。
(注:
充电率C表示充电的速度。
若不考虑充电过程的损耗,充电率可表示为:
C=充电电流(mA)/电池容量(mAh)(1.1)若电池的容量为500mAh,C=1,则充电电流为500mA。
但实际的充电过程是一个电化学反应过程,有一定的损耗(如发热),故实际充电电流要比计算值大30%左右。
短充电时间,可采用1C、2C充电率,一般最大充电率可达4C。
)
5)允许温度范围宽。
锂离子电池具有优良的高低温放电性能,可在-20~+60℃之间工作。
高温放电性能优于其它各类电池。
此外,锂离子电池还具有自放电电流小、无记忆效应和无环境污染等优点,综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池,被称为性能最好的电池。
尽管锂离子电池具有上述诸多优点,但还是存在有如下的缺点。
1)与干电池无互换性。
锂离子电池虽然有电压高的好处,但也有很难和干电池互换
的缺点。
当蓄电池放完电时,一般的想法是用干电池暂时取代,但由于这两者电压不
同,不能直接代换。
2)无法急速充电。
锂离子电池不能像镍镉电池那样,用15分钟急速充足电。
锂离子电池的充电方法是:
最初以恒定电池充电,最后则以恒定电压完成充电。
现在各电池公司推荐的充电速率是1C,这样,充电时间约需2小时,第一个小时可充入电池额定容量的80%左右。
3)内部阻抗高。
因为锂离子电池的电解液为有机溶液,其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液小得多,所以,锂离子电池的内部阻抗比镍镉电池或镍氢电池约大10倍。
直径18mm、长650mm的单节电池的阻抗为50m?
。
4)工作电压变化较大。
电池放电到额定容量的80%时,镍镉电池的电压变化很小(约0%),锂离子电池的电压变化很大(约40%)。
对电池供电的设备来说,这是严重的缺点。
但是由于锂离子电池放电电压变化比较大,很容易据此检测电池的剩余电量。
5)放电速率较大时,容量下降较大。
放电速率为0.5C时,锂离子电池和镍镉电池容量的减少量相当,但放电速率大于1C时,锂离子电池的容量严重减少。
同其优点相比,这些缺点不应成为主要问题,特别是用于一些高科技、高附加值的产品中。
因此锂离子电池具有广泛的应用价值,其经济价值相当可观。
2.1锂离子电池充电器系统分析
2.1.1锂离子电池快速充电特性
1)恒流充电特性
锂离子电池由锂离子移动产生氧化-还原反应,充电效率几乎为100%。
若继续进行恒流充电,充电电压有可能升高超过使用电压。
原因是若超过一定电压,金属锂析出并发生电解液的分解,当然电压会超过使用电压。
2)充电电压/电流特性
对完全放电的蓄电池进行恒流充电时,以充电量为参数,表示其电流与电压之间的关系,即为充电电压/电流特性。
对于根据电压决定充电电量的锂离子电池,需要设定安全的最高电压进行充电,适宜用恒压充电方式。
3)充电终期电压的温度特性
电池的充电电压一般为负温度特性,因此需要对充电电压进行补偿。
对于锂离子电池,完全充电电压与安全使用的充电电压有较大的差值,因此充电器不需要进行温度补偿。
4)充电温度与放电容量
由于充电时的温度不同各种电池的充电效率是不同的。
放电容量表示进行标准的充电后的放电容量。
锂离子电池的电解液几乎不发生分解,充电效率高,在5~45℃温度范围内进行充电时容量不会有较大差别。
下面根据锂离子电池的充电特性,结合锂离子电池快速充电状态曲线,如图2.1所示,对各个状态分别加以说明。
图2.1中所标示的数据是根据多种市场产品总结得到的较为典型的值。
图2.1锂离子电池快速充电状态曲线图
2.1.2锂离子电池快速充电状态
1)涓流充电状态
在该状态下,充电器检测电池电压是否较低,如果是则采用涓流充电,即一个比较小的恒定电流对电池进行充电直至电池电压上升到一个安全值。
2)恒流充电状态涓流充电后,充电器转入恒流充电状态。
该状态下,充电电流保持不变的较大的值,通常是涓流充电电流的10倍或更大。
电池的最大充电电流决定于电池的容量,通常选用1C充电速率。
比如1000mAh的电池采用1000mA电流充电。
为了缩短充电时间,也可采用2C或更高的速率在恒流充电和涓流充电状态下,充电器连续监控电池的电压和温度,并且可以采用以下两种恒流充电终止法,终止恒流充电。
(1)电池最高电压终止法
当单节锂电池的电压达到4.2V,恒流充电状态应立即终止。
(2)电池最高温度终止法
在恒流充电过程中,当电池的温度达到60℃时,恒流充电状态应立即终止。
2)恒压充电状态
恒流充电终止后,充电器立即转入恒压充电状态。
在该状态下,充电电压保持恒定。
因为锂离子电池对充电电压精度的要求比较高,单节电池恒压充电电压应在规定值的±1%之间变化,因此要求锂离子电池充电器输出电压有较高的精度。
在恒压充电过程中,充电器连续监控电池的电压、温度、充电电流和充电时间。
常用的恒压充电终止方法有以下四种:
(1)电池最高电压:
当锂离子电池的电压达到4.2V时,恒压充电状态自动终止。
(2)电池最高温度:
当锂离子电池的最高温度达到60℃时,恒压充电状态自动终止。
(3)最长充电时间:
为了确保锂离子电池安全充电,除了设定最高电压和最高温度外,还应设置最长恒压充电时间。
在温度和电压检测失败的情况下,可以保证锂电池安全充电。
(4)最小充电电流:
在恒压充电过程中,锂离子电池的充电电流逐渐减小,当充电电流下降到一定数值(通常为恒流充电电流的1/10)时,恒压充电状态自动终止。
3)维护充电状态
电池充足电后,若电池仍插在充电器上,电池会由于自放电而损失电量。
充电器应以非常小的电流对电池充电或是监测电池电位以备对电池再充电,这种状态称为维护充电状态。
3充电器的基本设计
3.1充电时间
对于便携式电源系统中的充电器进行设计时,首先是决定充电时间。
调查该电源系统不使用的时间,若该时间足够长,采用普通充电方式即可;若时间较短,要采用快速充电方式。
充电时间与充电方式有着密切的关系。
对于锂离子电池采用恒流恒压快速充电方式。
3.1.1锂离子电池的充电方式
锂离子电池的充电方式基本上采用恒流恒压充电方式。
充电的恒压设定值随负极9活性物质的不同而异。
锂离子电池的容量与充电电压有关,充电电压越高,蓄积的电量也越多,实际上电池的容量增大了。
然而,充电电压增高,电解液进行分解,在负极就会析出金属锂,为此,充电电压的精度要控制在±1%以内。
由于充电电流不能太大,因此,用快速充电方式在1小时内充满电较困难,可用定时器采用以下的控制方式。
1)总时间的控制方式
每次都以一定时间进行充电,因此,不管放电状态的深浅程度如何都是以这种时间进行充电,单独用这种方式不能进行良好的充电。
可以作为与其他充电控制备用的并用方式。
考虑到充电电流的大小和电池温度,总的设定时间为3~10小时。
2)电压检测+定时器方式
这种方式是达到设定电压后,。
对于放电量浅的电池充电电压上升快,可比总时间控制方法提早完成充电,定时器设定时间为1~5小时。
3)电流检测+定时器方式
这种方式是达到设定电流后,经过由定时器设定的时间停止充电。
电压检测与电流检测只是检测的电压与电流不同,其考虑与使用方法完全相同。
4)电流检测方式
这是以恒流恒压充电,在恒压范围检测出较低的0.1C的电流时停止充电的方式,不会发生过充电。
3.1.2设计注意事项
1)过充电
系统设计时最需要注意的问题是防止过充电,即锂离子还原而金属锂析出。
为此,对充电器要采取相应措施。
2)保护电路
锂离子电池有过充电的安全性与过放电时的电池劣化问题,这要在电池与负载或与充电器之间增设保护电路。
当电池进入过充电或放电状态时,电池脱离外部电路。
对于2节以上串联的电池组,还需要对每节电池的电压进行监视。
3)充电器上限电压
即使电池中增设了保护电路对电池采取了安全措施,但还希望在充电器方设定上限电压值,当超出通常的充电电压范围电路无输出的双重保护。
4)充电温度范围
在使用温度范围以外进行充电时,电池的功能会被破坏。
因此,在温度过高时应立即采取自动断电。
5)避免大电流充电
大电流充电时,金属锂要析出,因此,即使在充电初期也必须以0.1C以下的电流充电。
3.2工作原理
锂离子电池的充电过程分两个阶段进行,首先用恒流充电到4.2V+0.05V,即转入4.2V+(-)0.05V恒压的第二阶段充电,恒压充电电流会随着时间的推移而逐渐降低,待充电电流降到0.1CmA时,表明电池已冲到额定容量的93%或者94%,此时即可以为基本充满,如果继续充下去,充电电流会慢慢降到0,电池完全充满。
恒流充电率为0.1CmA到1.5CmA(CmA:
当电池额定容量为1000mAb时,则1.0CmA充电率表示充电电流为1000CmA;1.5CmA充电电流为1500mA,以次类推)。
标准充电率为0.5CmA,约需2小时可将电池电压(放电到3.0V的电池)充到4.2V,再转入恒压充1小时左右,即可结束充电。
整个充电过程约需3小时,当充电率为105CmA时,第一阶段的充电时间只约需1/2小时。
该电路很简洁(附录一),采用了一块软封装的集成块并标有AE3102字样,通过对其8个引脚分析,是集成了两个运放。
开关电源部分采用抑制振荡型开关电源,它的简单工作原理是把220V交流电整流滤波成峰值电压300V左右的三角波(滤波电容C1不用),利用稳压器组成电平开关,控制开关管Q1的振荡与停止。
此开关电源初级电流很小,Q1的C极反峰电压也较低,因此可以使用Vceo大于300V的TO-92封装的小型开关管,以缩小体积降低成本。
1)开关电源部分:
Q1和开关变压器组成间歇振荡器。
充电器加电后,220V市电经D1半波整流后在Q1的C极上形成一个300V左右的直流电压,经过变压器初级加到Q1的C极,同时该电压还经启动电阻R2为Q1的B极提供一个偏置电压。
由于正反馈作用,Q1的IC迅速上升而饱和,在Q1进入饱和期间,开关变压器次级绕组产生的感应电压使D2导通,向负载输出一个约9V左右的直流电压。
开关变压器的反馈绕组产生的感应脉冲经D3整流、C2滤波后产生一个与振荡脉冲个数呈正比的直流电压。
此电压若超过稳压管Z1的稳压值,Z1便导通,此负极性整流电压便加在Q1的B极,使其迅速截止。
Q1的截止时间与其输出电压呈反比。
Z1的导通/截止直接受电网电压和负载的影响:
电网电压越低或负载电流越大,Z1的导通时间越短,Q1的导通时间越长,反之,电网电压越高或负载电流越小,D3的整流电压越高,Z1的导通时间越长,Q1的导通时间越短。
2)充电部分:
手机电池残留电压(约3V)经R17、R15分压后,(1.3V)加至IC(AE3102)③脚,手机电池残留电压同时经R16点亮LED1,经LED1稳压后的电压(1.8V)加至IC②脚,此电压低于IC③脚电压,IC①脚输出低电平。
此低电平使Q2导通,进行充电。
R8的作用是使LED1的稳压值更稳定,LED1同时作电源指示。
IC内第Ⅱ运放与④脚的C5组成振荡电路。
由⑦脚输出振荡方波,通过R12使LED2闪烁,指示充电。
随着电池电压上升,当经R17、R15分压后的(③脚)电压高于LED1的稳压(②脚)电压时,IC①脚输出高电平,使Q2截止,并点亮LED3指示充电结束。
此时,LED2熄灭。
D4是防止电池反接损坏电路;R18是过流保险电阻;R6是在充电结束后进行小电流补充之用,说明书要求此时间约为0.5小时。
多功能部分:
该充电器使用了方便的电池夹,其两个电极可任意分开大小,适应多种手机锂电。
在充电器侧面还留有小灵通充电接口。
在充电器的另一个侧面,有一个极性转换开关,只有电池极性与充电极性相符时,测试灯LED1才会点亮。
3.2.1滤波整流
反馈绕组C2D3是怎样滤波整流的?
我画了一个简单的示意图如图二,或许这样就可以清晰的看出原理了:
正如文章中开关电源部分的解释:
开关变压器的反馈绕组产生的感应脉冲经D3整流、C2滤波后产生一个与振荡脉冲个数呈正比的直流电压。
此电压若超过稳压管Z1的稳压值,Z1便导通,此负极性整流电压便加在Q1的B极,使其迅速截止。
Q1的截止时间与其输出电压呈反比。
Z1的导通/截止直接受电网电压和负载的影响:
电网电压越低或负载电流越大,Z1的导通时间越短,Q1的导通时间越长,反之,电网电压越高或负载电流越小,D3的整流电压越高,Z1的导通时间越长,Q1的导通时间越短。
如图
(2)滤波整流电路
4总结
经过三个多月的不懈努力,手机多功能充电器的论文(设计)终于完成。
在整个论文(设计)过程中,我遇到了很多的难题,但都在指导老师和同学的帮助下得到了顺利的解决。
通过此次论文(设计),从不断的学习过程中我深刻体会到:
无论是论文撰写,还是实际操作实践都是一个不断学习的过程,从最初刚写论文时的含糊不清到最后能够对整个论文有深刻的认识,从中我体会到实践对于学习的重要性和“实践出真知”的深刻含义。
在大学的课堂上明白的只是理论,没有经过彻底的实践考察,对知识的理解还不够明确。
然而,通过此次的论文撰写和实物的操作,让我真正做到了理论与实践的完美相结合。
总之,通过此次毕业论文(设计)的顺利完成,让我深刻体会到要更好的做好一个完整的事情,不仅仅需要基础知识的牢固,而且要有有系统的思维方式和巧妙的工作方法。
在对待我们要解决的问题时,我们不仅仅要有毅力和耐心,而且,还要善于运用所拥有的资源来充实自己。
同时,我们在对待一个新事物的时候,一定要从整体考虑,一定要一步一个脚印,这样所取得的成果才能更见成效!
致谢
本文是在指导老师齐仁龙老师的悉心指导下完成的,齐仁龙老师在学术上严格要求,老师的教诲和鼓励,及在学术上一丝不苟的精神,本人受益匪浅,在此向齐仁龙
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