手机充电器电路设计[1]

手机充电器电路设计

摘要：通过对课程的学习设计。了解手机充电器的工作原理及设计流程，确定相关参数和电路图。

关键字：隔离变压器频率绝缘电阻绝缘强度可燃性自由跌落湿热试验工作原理工作流程

1 前言（李洋）

1 电路设计思想

从手机锂离子二次电池的恒流／恒压充电控制出发，用220V 交流电通过配置的内置储能锂电池对手机锂离子电池充电。电路的具体工作流程如图1所示。

图1 工作流程图

2 电路设计方案

充电芯片选用美信半导体公司的锂电池充电芯片，这款充电芯片具

有很强的充电控制特性，可外接限流型充电电源和P沟道场效应管，能对单节锂电池进行安全有效的快充。其最大特点是在不使用电感的情况下仍能做到很低的功率耗散，且充电控制精度达0.75％；可以实现预充电；具有过压保护和温度保护功能，其浮充方式能够充至最大电池容量。当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，接通电源将启动一次充电过程。充电结束的条件是平均的脉冲充电电流达到快充电流的1％，或时间超出片上预置的充电时间。所选用的充电芯片能够自动检测充电电源，在没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，充电结束时，外接LED指示灯将会进行闪烁提示。

电路工作原理

内置储能电池的充电及其保护电路其中包括：LED显示、热敏电阻，电流反向保护。ADJ引脚通过10kΩ的电阻与内部1.4V的精密基准源相连接，当ADJ对地没有连接电阻时，电池充电电压阈值为缺省值：VBR ＝4.2V；当需要自行设置充电阈值时，可在ADJ引脚与GND间接一精度为1％的电阻RADJ，阻值由式(1)确定：RADJ＝10kΩ/(VBR/VBRC-1) (1) 由图3可知，充电阈值为4.1V，可得RADJ＝410k

做手机充电器电路设计，需先对其工作环境进行分析，了解其工作原理。

分析一个电源，往往从输入开始着手。220V交流输入，一端经过一个4007半波整流，另一端经过一个10欧的电阻后，由10uF电容滤波。这个10欧的电阻用来做保护的，如果后面出现故障等导致过流，那么这个电阻将被烧断，从而避免引起更大的故障。右边的4007、4700pF电容、82K Ω电阻，构成一个高压吸收电路，当开关管13003关断时，负责吸收线圈上的感应电压，从而防止高压加到开关管13003上而导致击穿。13003为开关管(完整的名应该是MJE13003)，耐压400V，集电极最大电流1.5A，最大集电极功耗为14W，用来控制原边绕组与电源之间的通、断。当原边绕组不停的通断时，就会在开关变压器中形成变化的磁场，从而在次级绕组中产生感应电压。由于图中没有标明绕组的同名端，所以不能看出是正激式还是反激式。不过，从这个电路的结构来看，可以推测出来，

这个电源应该是反激式的。左端的510KΩ为启动电阻，给开关管提供启动用的基极电流。13003下方的10Ω电阻为电流取样电阻，电流经取样后变成电压(其值为10*I)，这电压经二极管4148后，加至三极管C945的基极上。当取样电压大约大于1.4V，即开关管电流大于0.14A时，三极管C945导通，从而将开关管13003的基极电压拉低，从而集电极电流减小，这样就限制了开关的电流，防止电流过大而烧毁(其实这是一个恒流结构，将开关管的最大电流限制在140mA左右)。变压器左下方的绕组(取样绕组)的感应电压经整流二极管4148整流，22uF电容滤波后形成取样电压。为了分析方便，我们取三极管C945发射极一端为地。那么这取样电压就是负的(-4V左右)，并且输出电压越高时，采样电压越负。取样电压经过6.2V稳压二极管后，加至开关管13003的基极。前面说了，当输出电压越高时，那么取样电压就越负，当负到一定程度后，6.2V稳压二极管被击穿，从而将开关13003的基极电位拉低，这将导致开关管断开或者推迟开关的导通，从而控制了能量输入到变压器中，也就控制了输出电压的升高，实现了稳压输出的功能。而下方的1KΩ电阻跟串联的2700pF电容，则是正反馈支路，从取样绕组中取出感应电压，加到开关管的基极上，以维持振荡。经二极管RF93整流，220uF电容滤波后输出6V的电压。因为开关电源的工作频率较高，所以需要工作频率的二极管。这里可以用常见的1N5816、1N5817等肖特基二极管代替。同样因为频率高的原因，变压器也必须使用高频开关变压器，铁心一般为高频铁氧体磁芯，具有高的电阻率，以减小涡流。

2 交流输入电压（强玉赟）

充电器的额定输入电压为交流220 V，频率为50 Hz，为了保证安全性，充电器应能承受市电一定范围内的波动，标准中要求的电压波动范围是其额定值的85 ％～110 ％，频率的波动范围是±2 Hz。

3 电源线组件

（1）电源线组件应符合GB2099的要求；

（2）电源线组件的额定值应大于充电器电源要求的额定值；

（3）电源软线的导线截面积应不小于0.75mm2；

（4）电源线组件中的电源软线应符合下列要求：

*如果电源软线是橡皮绝缘，则应是合成橡胶，应符合GB5013对通用橡胶护套软电缆的要求；

*如果电源软线是聚氯乙烯绝缘的，应符合GB5023对轻型聚氯乙烯护套软线的要求。

4 隔离变压器

安全隔离变压器在构造上应保证在出现单一绝缘故障和由此引起的其他故障时，不会使安全特低电压绕组上出现危险电压。隔离变压器应按照GB4943中附录C的有关规定进行试验。

5 稳定性

直接插在墙壁插座上、靠插脚来承载其重量的充电器，不应使墙壁插座承受过大的应力。可通过插座应力试验检验其是否合格。充电器应按正常使用情况，插入到一个已固定好的没有接地接触件的插座上，该插座可以围绕位于插座啮合面后面8mm的距离处，与管件接触件中心线相交的水平轴线转动。为保持啮合面垂直而必须加到插座上的附加力矩不应超过0.25Nm。

2.5.2 结构细节

电池极性接反以及强制充电或放电可能导致危险，所以在设计上应有防止极性接反以及防止强制充放电的措施。将起保护作用的任何元件一次一个地短路或开路，并强迫充放电各2小时，充电器应不起火、不爆炸。

6 防触及性（电击及能量危险）

充电器正常使用时应具有防触及性，防止电击及能量危险。

如果特低电压电路的外部配线的绝缘是操作人员可触及的，则该配线应：

*不会受到损坏或承受应力；

*不需要操作人员接触。

7 连接布线

（1）对使用不可拆卸的电源软线的充电器应装有紧固装置：

*导线在连接点不承受应力；

*导线的外套不受磨损；

*电源软线应能承受拉力试验，电源软线应承受30N的稳定拉力25次，拉力沿最不利的方向施加，每次施加时间为1s，电源软线应不被拉断； *电源软线紧固装置应由绝缘材料制成，或由具有符合附加绝缘要求的绝缘材料的衬套制成。

（2）电源软线入口开孔处应装有软线入口护套，或者软线入口或衬套应具有光滑圆形的喇叭口，喇叭口的曲率半径至少等于所连接最大截面积的软线外径的1.5倍。

软线入口护套应：

*设计成防止软线在进入充电器入口处过分弯曲；

*用绝缘材料制成；

*采用可靠的方法固定；

*伸出充电器外超过入口开孔的距离至少为该软线外径的5倍，或者

对扁平软线，至少为该软线截面长边尺寸的5倍。

8 输出短路保护

充电器应有短路的自动保护功能。将充电器输出短路，充电器应能自动保护，故障排除后应能自动恢复工作。

9 绝缘电阻

在常温条件下，用绝缘电阻测试仪直流500 V电压，对充电器主回路的一次电路对外壳、二次电路对外壳及一次电路对二次电路进行测试，充电器的绝缘电阻应不低于2 MΩ。

10 电路工作流程

始化充电周期充电芯片检测到电池和充电电源后将初始化充电周期，充电结束后，如检测到电池电压低于3.89V或THERM引脚电压高于1.4V将重新充电。允许快充的条件是电池电压大于2.5V且小于充电阈值电压（默认值是4.2V），且温度范围为2.5～47.5℃。如果温度范围不符，充电芯片将处于用5mA的电流预充，防止深度放电的锂离子电池在快充时损坏甚至发生危险。

②快充过程快充开始后，充电芯片打开外接的P沟道场效应

管，充电电流大小由外部限流型充电电源决定。由于P沟道场效应管工作在开关状态，并非线性稳压器，所以功耗极小。快充结束的条件是电池电压达到阈值（由ADJ引脚调节），充电时间达到预定的快充时间或温度超出安全范围。温度超出工作范围时快充只是暂停，当温度恢复后快充将持续进行。

③脉冲充电过程多数情况下，充电电池达到阈值后便会结束快充过程而进入脉冲充电过程。充电芯片每隔2ms检测一次电池电压，电池电压小于阈值时，外部P沟道场效应管导通；电池电压大于等于阈值时，P沟道场效应管断开；脉冲充电过程接近结束时，P沟道场效应管的断开时间大大超过接通时间，达到TSEL管脚设置的周期比（1/64，1/128，1/256）后脉冲充电过程结束。

④充电状态指示CHG 管脚CHG与管脚IN之间连接LED作为充电状态指示灯，当没有插入电池，电源没有连接或电池电压小于2.2V时，CHG管脚在高阻态，LED不亮；当快充或脉冲充电时，LED亮，在初始化期间或时间超出预定时间，LED按50％周期闪烁；当充电状态结束时，LED按12％周期闪烁。

3 专用充电芯片的选择及其电路设计①锂电池充电特性锂电池充电器需同时限制电压和电流，通常对锂离子电池充电分为四个

过程： A 预充电。如果充电开始时单节电池电压低于2.5V,则用涓流充电方式对电池进行预充电直到电池电压升至2.5V，其充电电流大小一般在1C×1/10。

B 恒流充电。预充电结束后即开始恒流充电，其间电池电压不断上升。

C 恒压充电。当电池电压上升到4.1V后转入恒压充电，其间充电电流不断减小。

D 充电终止。当端电压达到电压阈值并且充电电流降至0.03C(约1charge的3%)时,即认为电池已基本充足，可终止充电。有的会再延时一段时间结束充电。

当前的锂离子电池一般充电到4.20V，容差为±0.05V/节。

较高的充电电流并不会使充电时间缩短太多。较高的充电电流能较快达到电压峰值，但是浮充需要较长时间。通常，浮充时间是初始充电时间的两倍。

②所用芯片特点选用美国飞思卡尔半导体产品公司开发的

专用充电芯片。该芯片是8脚开关型充电控制集成电路，专门适用于锂电电池的充电管理，能实现高精度充电控制。它简化了锂电池的充电过程，把必要的功率转换和锂电池的充电控制算法及其他充电需要的功能电路制作到同一块IC上。其主要特点如下。

●可对锂离子电池进行安全充电管理；●高频开关模式控制器使得充电效率可达90％以上；●可防止对锂电池的过充电和欠充电；●初充电模式可检测电池短路、损坏以及电池过热；●快速充电结束方式，对锂电池可选择为最小电流和最长时间关断模式；

●电池组放入与取出检测；●低功耗的休眠方式。

图 3 Wealth—Ⅰ主充电芯片内部电路原理③工作原理首先，由振荡器和内部振荡器共同作用到时钟脉冲发生器，产生时钟信号，用来控制D/A转换、－ΔV运算器及其他有关单元电路，并使之同步工作。该充电芯片在中断充电电流期间进行采样，以求采样的精确。采样电压从脚4（BAT）进入电路内部，经A/D转换后送入－ΔV运算器处理，并将运算结果送入充电控制单元，随时控制充电过程。

在充电初始阶段，该充电芯片会检测电池的电参数，一旦电参数确定，立即用适当的算法确定合适的控制方法。这个过程主要是为了区分不同电参数的锂电池，同时也排除了欠充电和过充电情况发生。该充电芯片使用最小电流法终结充电。为了充电安全，电路内部设置了一个可供用户编程的充电定时器。通过定时器也可以用最大时间法终结充电。

另外，为了确保安全，在电池的电压和温度未达到预先确定的或用户规定的阈值之前，该充电芯片禁止快速充电。

参考资料（张龙龙）

[1]模拟电子技术黄强主编北京科学出版社2006

[2]无线电技术及设备调测与维修徐治乐主编高等教育出版社 2000

[3]高频电路设计手册（英）斯多夫著，薛国雄译人民邮电出版社 2009

[4]印制电路板（PCB）设计技术与实践黄智伟编著电子工业出版社2009