電力電子課程設(shè)計---手機(jī)充電器電路的設(shè)計

1、<p>　　手機(jī)充電器電路的設(shè)計</p><p><b>　　1.選題背景</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的日益發(fā)展，對手機(jī)的要求也日趨多功能化。而手機(jī)耗電量的逐步增加，引起了人們的高度重視，這就使我們提高了對手機(jī)電池節(jié)能的要求。另一方面，手機(jī)電池隨著手機(jī)體積的日漸縮小而變得越來越精小化。然而，電池供電技術(shù)卻并沒有隨之提高，這就使我們手機(jī)出現(xiàn)了待機(jī)

2、時間日漸減短的問題，從而，給一些經(jīng)常外出的人們在使用手機(jī)時帶來了不少的麻煩。為解決這一問題，許多人在購買手機(jī)時采用了雙電雙充的配置方案，以便用來解決手機(jī)耗電量大的難題。當(dāng)然，這樣做也相應(yīng)提高了手機(jī)的購置成本，同時，在我們使用的時候也并不像想象中的那樣方便，這使得我們外出時因為電池電量不足影響手機(jī)的正常使用。針對這一現(xiàn)象，本文專門介紹了一種多功能的手機(jī)充電器，以滿足用戶對高性價比的需要。</p><p><b

3、>　　2.設(shè)計要求</b></p><p>　　通信技術(shù)的高速發(fā)展促使手機(jī)種類眾多，也導(dǎo)致手機(jī)充電器也是多種多樣，本設(shè)計設(shè)計索尼愛立信牌手機(jī)的充電器電路。</p><p>　　充電器的簡單工作過程如下： 交流輸入電壓經(jīng)電容降壓，二極管整流橋整流后變成直流電，經(jīng)隔離二極管和濾波電容對手機(jī)充電，隨著充電時間的增長，電池兩端的電壓也升高，通過分壓器將此電壓引入基準(zhǔn)電壓比較器，其

4、中三個比較器帶三個指示燈，分別指示充電的狀態(tài)，當(dāng)三個燈全亮?xí)r，表示充電已滿。通過以上的工作過程描述結(jié)合生活經(jīng)驗設(shè)計手機(jī)實用充電器電路。以上功能僅供參考，在基本功能完成的前提下可根據(jù)本人想法增加其他功能。 </p><p>　　為培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考和實踐能力，本次課程設(shè)計要求學(xué)生獨立設(shè)計

5、充電器電路，自己根據(jù)設(shè)計需要購買元器件并獨立焊接調(diào)試正常。 </p><p>　　所設(shè)計的充電器具有必要的充電顯示和保護(hù)功能，充電電壓4.2V，充電限制電壓4.5V。</p><p><b>　　3.方案論證</b></p>

6、<p><b>　　3.1系統(tǒng)概述</b></p><p>　　從課題上可以看出設(shè)計的主體要求是將市電變換為符合要求的直流電源，整體上應(yīng)該有降壓、整流、濾波、恒壓電路。</p><p>　　降壓電路可以用最簡單的變壓器完成，將220V電壓變?yōu)?0V左右的低壓，為了優(yōu)化波形使其更加穩(wěn)定可采用濾波電容去除高頻干擾。</p><p>　　

7、手機(jī)通用的鋰電池充電電壓為4.2V，因此需要設(shè)計一個恒壓源電路。充電電流在一定程度上影響了充電的時間，過高的電流會縮短電池的使用壽命，所以我們還需要一個可靠地恒流源來保證充電的時間和手機(jī)的使用壽命。</p><p>　　當(dāng)上述條件都具備時對于不同容量的手機(jī)電池充電時間是不一樣的，因此需要一個不以時間為參考的充電完成信號，我們可以根據(jù)電池兩端的電壓是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓來判斷是否充滿電。</p><p

8、>　　穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成，變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。如下圖所示：把220V交流變成低壓直流的四個組成部分：降壓—整流—濾波—穩(wěn)壓。</p><p><b>　　圖3-1-1</b></p><p>　　1、整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)

9、為具有直流電成分的脈動直流電，二極管在電路中起開關(guān)的作用。</p><p>　　2、濾波電路是將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分，電容和電感起濾波的作用。</p><p>　　3、穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。 三端穩(wěn)壓器是常用的穩(wěn)壓器件。</p><p><b>　　3.2設(shè)計方案</b><

10、/p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　本方案是前期分析的具體實現(xiàn)，也是比較簡單的一種。電路圖如下：</p><p><b>　　圖3-2-1</b></p><p>　　該電路有四部分組成電源輸入電路、恒流電路、恒壓電路、充電指示電路組成。</p><p&g

11、t;　　電源輸入電路由電源變壓器T、整流橋堆D1，D2，D3，D4和濾波電容C組成。</p><p>　　恒壓電路由電阻R1、R2、電位器RP1、晶體管V1、精密穩(wěn)壓基準(zhǔn)源IC組成。恒流電路由晶體管V2、電阻R3、電位器RP2。充電指示電路由晶體管V3、電阻R4、R5和發(fā)光二極管VL組成。</p><p>　　交流電220V電壓經(jīng)過變壓器T（二次側(cè)電壓9V）、整流橋、濾波電容C后，產(chǎn)生8.

12、1V的直流電壓。該電壓經(jīng)過恒流電路恒壓電路處理后對電池充電。同時V3導(dǎo)通，VL發(fā)光。隨著電池兩極板電壓的升高充電電流將逐漸減小。當(dāng)電池電壓到達(dá)4.2V時，R1上電壓降低使V3截止VL熄滅，提醒用戶充電結(jié)束。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　全自動鎳鎘電池充電器的電路如下圖所示，充電器主要由電源電路、電壓比較器及指示電路等組成。<

13、/p><p><b>　　圖3-2-2</b></p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　本方案為本次采用設(shè)計方案，是現(xiàn)行手機(jī)充電器的通用電路，主要是由開關(guān)電源和充電電路組成的。制作成功后該充電器能自動識別電池極性，自動調(diào)整輸出電流使得電池達(dá)到最佳充電狀態(tài)，可保護(hù)電池延長電池壽命。充電飽和后閃爍的紅燈會

14、自動熄滅。電路圖如下所示:</p><p><b>　　圖3-2-3</b></p><p><b>　　4.過程論述</b></p><p>　　方案3為本次采用設(shè)計方案，是現(xiàn)行手機(jī)充電器的通用電路，主要是由開關(guān)電源和充電電路組成的。</p><p>　　當(dāng)接入電源后，通過整流二極管VD1、R1給

15、開關(guān)管Q1提供啟動電流，使Q1開始導(dǎo)通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2中感應(yīng)出使Q1基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反 饋電壓，使Q1很快飽和。與此同時，感應(yīng)電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，Q1基極電位逐漸變低，致使Q1退出飽和區(qū)，Ic開始減小，在 L2中感應(yīng)出使Q1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使Q1迅速截止，這時二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負(fù)載。在VT1截止 時，L2中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又

16、經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高Q1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下 去。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器Ｔ的次級繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓，在C4的兩端獲得9V的直流電，供充電電路工作。</p><p>　　在充電電路中Q2與CH（閃爍發(fā)光二極管）組成充電指示電路。R7與PW（紅色二極管）組成電池好壞檢測及電源通電指示電路。Q4、Q5、Q6、Q7組成自動識別電池極性的電路

17、。</p><p>　　當(dāng)充電端1接電池的正，端2接電池的負(fù)時，充電回路是電源的+、Q5（發(fā)射極）、Q5（集電極）、端1接+ 、Q7（飽和）、端2接-；</p><p>　　當(dāng)充電端2接電池的正，端1接電池的負(fù)時，充電回路是電源的+、Q4（發(fā)射極）、Q4（集電極）、端2接+、Q6（飽和）、端2接-。即可完成自動極性的識別，保證充電回路自動工作。</p><p>　　

18、制作成功后該充電器能自動識別電池極性，自動調(diào)整輸出電流使得電池達(dá)到最佳充電狀態(tài)，可保護(hù)電池延長電池壽命。充電飽和后閃爍的紅燈會自動熄滅。</p><p><b>　　4.1電源變壓器</b></p><p>　　把輸入U1的有效值220V，頻率50HZ的電網(wǎng)電壓變換成所需要的電壓U1，一般情況下，直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓有效值相差很大，因此需要通過電源變壓器降壓后，再

19、對交流電壓進(jìn)行處理。下面介紹一下變壓器的工作原理。</p><p>　　變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。</p><p><b>　　圖4-1-1</b>&

20、lt;/p><p>　　變壓器的基本原理是電磁感應(yīng)原理，現(xiàn)以單相雙繞組變壓器為例說明其基本工作原理（如上圖）：當(dāng)一次側(cè)繞組上加上電壓Ú1時，流過電流Í1，在鐵芯中就產(chǎn)生交變磁通Ø1，這些磁通稱為主磁通，在它作用下，兩側(cè)繞組分別感應(yīng)電勢É1，É2，感應(yīng)電勢公式為：E=4.44fNØm</p><p>　　式中：E--感應(yīng)電勢有效值

21、 f--頻率</p><p>　　N--匝數(shù) Øm--主磁通最大值</p><p>　　由于二次繞組與一次繞組匝數(shù)不同，感應(yīng)電勢E1和E2大小也不同，當(dāng)略去內(nèi)阻抗壓降后，電壓Ú1和Ú2大小也就不同。</p><p>　　當(dāng)變壓器二次側(cè)空載時，一次側(cè)僅流過主磁通的電流（Í0），這個電流稱

22、為激磁電流。當(dāng)二次側(cè)加負(fù)載流過負(fù)載電流Í2時，也在鐵芯中產(chǎn)生磁通，力圖改變主磁通，但一次電壓不變時，主磁通是不變的，一次側(cè)就要流過兩部分電流，一部分為激磁電流Í0，一部分為用來平衡Í2，所以這部分電流隨著Í2變化而變化。當(dāng)電流乘以匝數(shù)時，就是磁勢。</p><p>　　上述的平衡作用實質(zhì)上是磁勢平衡作用，變壓器就是通過磁勢平衡作用實現(xiàn)了一、二次側(cè)的能量傳遞。</p&g

23、t;<p><b>　　4.2橋式整流電路</b></p><p>　　整流電路的目的是利用其具有單向?qū)щ娦缘恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電壓U1整流成單方的脈動電壓U2。本設(shè)計中采用的是橋式整流電路，如圖。</p><p>　　橋式整流電路，也可認(rèn)為它是全波整流電路的一種，變壓器繞組按圖3方法接四只二極管。 D 1 ～ D 4 為四只相同的整流二極管

24、，接成電橋形式，故稱橋式整流電路。利用二極管的導(dǎo)引作用，使在負(fù)半周時也能把次級輸出引向負(fù)載。 </p><p>　　具體接法如圖所示，從圖中可以看到，在正半周時由D1、D2導(dǎo)引電流自上而 下通過RL，負(fù)半周時由D3、D4導(dǎo)引電流也是自上而下通過 RL ， 從而實現(xiàn)了全波整流。 在這種結(jié)構(gòu)中，若輸出同樣的直流電壓，變壓器次級繞組與全波整流相比則只須一半繞組即可，但若要輸出同樣大小的電流，則繞組的線徑要相

25、應(yīng)加粗。 至于脈動，和前面講的全波整流電路完全相同。</p><p><b>　　圖4-2-1</b></p><p>　　由于整流電路的輸出電壓都含有較大的脈動成分。為了盡量壓低脈動成分，另一方面還要盡量保留直流成分，使輸出電壓接近理想的直流，這種措施就是濾波。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲作用來實現(xiàn)的。</p><p><b>

26、;　　4.3濾波電路</b></p><p>　　整流電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動成分較大，在一些要求直流電平滑的場合是不適用的，需加上濾波電路，以減小整流后直流電中的脈動成分。為了減小電壓U2的脈動，需通過低通濾波使輸出電壓平滑，理想情況下，應(yīng)將交流分量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅有直流電壓，然而，由于濾波電路為無源電路，所以，接入負(fù)載后勢必會影響濾波效果，對電源電源穩(wěn)定性要求不高的電

27、子電路濾波，整流后的直流電壓U3可作為供電電源。下面介紹一下電容濾波的原理 。</p><p>　　在小功率整流電路中主要采用電容濾波。電容濾波的電路圖如下所示，當(dāng)電剛接通時，U2從正半周的零值開始增加，二極管D1,D3導(dǎo)通，導(dǎo)通電流一路向負(fù)載RL供電+另一路向電容充電，由于二極管的導(dǎo)通電阻很小，充電時間常數(shù)很小，電容兩端電壓Uc幾乎與U2同步增大。當(dāng)UC=√2時，U2開始下降，此時U2小于UC。二極管收反向電壓

28、作用而截止，電容C向RL放電，由于放電常數(shù)很小，UC按照指數(shù)規(guī)律緩慢下降當(dāng)UC=|U2|時，U2的負(fù)半周使D2,D4正偏導(dǎo)通。電容C又充電，重復(fù)上述過程，得出圖中（b ）的波形顯然比沒有濾波時平滑的多。</p><p><b>　　4.4穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　交流電壓通過整流，濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但當(dāng)電網(wǎng)波動或負(fù)載變化時，平均值也將隨

29、之變化。因此，穩(wěn)壓電路的功能是：使輸出直流電壓U4基本不受電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載變化影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。</p><p>　?。?）穩(wěn)壓電路概述 </p><p>　　引起輸出電壓變化的原因是負(fù)載電流的變化和輸入電壓的變化， 負(fù)載電流的變化會在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，從而使輸入電壓發(fā)生變化。 </p><p><b>　?。?） 集成穩(wěn)壓器<

30、;/b></p><p>　　集成穩(wěn)壓器是指將不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓的集成電路。由于集成穩(wěn)壓器具有穩(wěn)壓精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡單、體積小、重量輕等顯箸優(yōu)點，在各種電源電路中得到了普遍的應(yīng)用。 常用的集成穩(wěn)壓器有：金屬圓形封裝、金屬菱形封裝、塑料封裝、帶散熱板塑封、扁平式封裝、雙列直插式封裝等。在電子制用中應(yīng)用較多的是三端固定輸出穩(wěn)壓器。 78xx系列集成穩(wěn)壓器是常用的

31、固定正輸出電壓的集成穩(wěn)壓器，輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等規(guī)格，最大輸出電流為1.5A。它的內(nèi)部含有限流保護(hù)、過熱保護(hù)和過壓保護(hù)電路，采用了噪聲低、溫度漂移小的基準(zhǔn)電壓源，工作穩(wěn)定可靠。</p><p><b>　?。?） 集成穩(wěn)壓器</b></p><p>　　該電路主要由三極管VT1、穩(wěn)壓二極管VDZ1等組成。 過壓保護(hù)：當(dāng)輸出電壓升

32、高時，在變壓器T的1-2反饋繞組端感應(yīng)的電壓就會升高，則電容C2所充電壓升高。當(dāng)電容C2兩端電壓超過穩(wěn)壓二極管VDZ1的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓二極管VDZ1擊穿導(dǎo)通，三極管VT2的基極電壓拉低，使其導(dǎo)通時間縮短或迅速截止，經(jīng)開關(guān)變壓器T1耦合后，使次級輸出電壓降低。反之，使輸出電壓升高，從而確保輸出電壓穩(wěn)定。 過流保護(hù)：在接通電源瞬間或當(dāng)某種原因使三極管VT2的電流過大時，在R5、R6上的壓降就大，使過流保護(hù)管VT1導(dǎo)通，VT2截止，從而有效防

33、止開關(guān)管VT1因沖擊電流過大而損壞。同時電阻R6上的壓降，使電容C2兩端電壓升高，此后過流保護(hù)過程與穩(wěn)壓原理相同，這里不再重復(fù)。三極管VT1是過流保護(hù)管，R5、R6是VT2的過流取樣保護(hù)電阻。</p><p>　　5.電路板的制作及焊接</p><p>　　5.1元器件引腳識別</p><p>　　安裝之前一定要對元器件進(jìn)行測試，參數(shù)性能指標(biāo)應(yīng)滿足設(shè)計要求，要準(zhǔn)確識

34、別元器件的引腳，以免造成人為故障甚至損壞元器件。</p><p>　　原件使用中應(yīng)注意的問題：</p><p>　　（1）電容器 電容器在使用前要先檢查是否引線開路或內(nèi)部短路，可用萬用表的電阻擋測，檢查電解電容時，因為容量大，可將萬用表置于R*1K擋當(dāng)表筆在電容兩端測量時，點半指針很快擺到小電阻位置后逐漸擺到大電阻位置，并達(dá)到無窮時，表明有容量且漏電。若退布到無窮位置說明漏電。表筆根本

35、不動說明電容開路。</p><p>　?。?）電阻 電阻的功率，阻值，精度滿足設(shè)計要求，而且要逐一經(jīng)過測試，測量電阻時不要把人體電阻并人測量。錯誤！未找到目錄項。</p><p><b>　　5.2焊接電路板</b></p><p>　?。?）安裝 依照PCB版圖進(jìn)行各元器件的安裝，連接，.裝配時注意不要扭動固定爪拆卸。</p>

36、<p>　　（2 ）焊接 依照焊接的三個步驟首先凈化金屬表面，然后將被焊金屬的表面加熱到焊錫融化的溫度，加焊料使其形成合金層。焊接時注意：溫度小于280℃焊接時間要少于3秒，避免電路板的損壞；使用恒溫焊錫；重復(fù)焊接少于3次，間隔大于5分鐘。盡量使焊接達(dá)到一下幾點：</p><p>　?。?）金屬表面焊錫充足，焊盤大小適中。</p><p>　?。?）焊點表面光亮，光滑。&l

37、t;/p><p>　?。?）焊錫均薄，隱約可見導(dǎo)線的輪廓。</p><p>　?。?）焊點干凈，無裂紋或針孔。</p><p><b>　　6.總結(jié)及體會</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計，我學(xué)到了不少知識和積累了很多經(jīng)驗，這讓我既鍛煉了設(shè)計能力也增強(qiáng)了實際動手的能力，學(xué)會了如何設(shè)計一個簡易安全充電器電路。在設(shè)計

38、中，我學(xué)到了很多課本上沒有學(xué)到的知識和平時很多忽略的東西，學(xué)會了把理論和實踐結(jié)合起來。在這個過程中，我也遇到了一些困難，通過查閱資料，組員相互討論，我準(zhǔn)確地找出錯誤所在并及時糾正，這種收獲，使自己的實踐能力有了進(jìn)一步的提高，讓我對以后的學(xué)習(xí)有了更大的信心。</p><p>　　當(dāng)然，我也認(rèn)識到理論與實踐的差距，在學(xué)習(xí)理論知識時，我們無需考慮晶閘管耐壓值、輸出波形的紋波的濾除、環(huán)相重疊角等，而在制作電路的過程中，這

39、些都是我們重點考慮的問題。同時通過本次課程設(shè)計，還鞏固了已學(xué)的知識。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 《電子設(shè)計》 [M]北京高等教育出版社 主編：楊志忠 2009</p><p>　　[2]《電路、電子技術(shù)實驗與電子實訓(xùn)》 [M]電子工業(yè)出版社 主編：黨宏社 2011</p>