關(guān)于新型手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊柳

內(nèi)容摘要：設(shè)計(jì)手機(jī)充電器主要是以恒流源和恒壓源為核心，用AT89S52單片機(jī)做主控芯片，通過A/D、D/A芯片對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理和轉(zhuǎn)換輸出控制信號(hào)，利用MOS管的工作特性對(duì)電路中電壓電流等參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制，LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)的智能型數(shù)控充電電源是一種功能相當(dāng)完善的數(shù)控充電充電器，達(dá)到了可充電電源進(jìn)行保護(hù)性充電等功能。本論文分析了該手機(jī)充電器的工作原理，展示了該電源的電路圖，并且詳細(xì)介紹了該電源的硬件軟件設(shè)計(jì)，總體展示了該電源的整體內(nèi)外設(shè)計(jì)流程。

關(guān)鍵詞：保護(hù)性充電? 控制? 恒流? 恒壓

1.緒論

1.1設(shè)計(jì)背景

從18世紀(jì)法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁現(xiàn)象以來，人類社會(huì)便進(jìn)入了電子時(shí)代。經(jīng)過不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越多地呈現(xiàn)在我們面前。由于電能的清潔高效、易于轉(zhuǎn)變成其它形式的能源的特點(diǎn)，電子技術(shù)越來越被人們重視。充電器是伴隨著充電電池的發(fā)展而發(fā)展的，早期出現(xiàn)的充電器多為鎳鎘電池充電器，當(dāng)今世界消費(fèi)者和行業(yè)環(huán)保意識(shí)正在不斷增強(qiáng)，堿性電池和有毒金屬鎘等二次電池的市場逐步變小，可充電電池得到了廣泛的應(yīng)用。鎳鎘電池作為一種便攜式電源，具有體積小、容量大、內(nèi)阻小、輸出電壓穩(wěn)定、重復(fù)充電等特點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子測(cè)量儀器和各種通信設(shè)備中。由于鎳鎘電池的價(jià)格比普通鋅錳電池昂貴，因此我們需要科學(xué)合理地使用鎳鎘電池。而選擇正確、可靠的充電方式是充分發(fā)揮鎳鎘電池效能和保證其壽命的關(guān)鍵[1]。

1.2設(shè)計(jì)目的

目前市場上手機(jī)充電器種類很多，但產(chǎn)品質(zhì)量很差。去年，近40%的生產(chǎn)企業(yè)未能通過國家產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督部門的檢測(cè)結(jié)果。主要問題有以下幾個(gè)方面：與交流電源的連接，電源側(cè)的電壓干擾，輻射干擾場強(qiáng)和充電電壓。另外，有些產(chǎn)品存在質(zhì)量問題，如低溫性能，額定容量和安全性能。這些質(zhì)量問題不僅會(huì)影響手機(jī)的正常使用，還會(huì)影響手機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重者還可能造成消費(fèi)者傷害。市場上有一些便攜式充電器用于假冒手機(jī)。這些充電器非常便宜且便于攜帶。許多消費(fèi)者更喜歡使用這些充電器給手機(jī)電池充電。事實(shí)上，可憐的充電器是一個(gè)沒有安全保證的簡單變壓器。由于缺乏保護(hù)電路等內(nèi)部安全元件，其重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原產(chǎn)品的重量[2]。由于現(xiàn)在的手機(jī)電池大多用作鋰電池或鎳氫電池的核心，因此對(duì)充電器的電壓和電流特性以及安全保護(hù)有很高的技術(shù)要求，這些假冒和偽劣皮帶僅為您的騎行而設(shè)計(jì)。不好的材料質(zhì)量和粗加工會(huì)對(duì)我們手機(jī)電池的性能和壽命產(chǎn)生很大的影響。

因此，沒有保護(hù)電路的充電器無法保證手機(jī)充電時(shí)電流的穩(wěn)定性，并有電池?zé)龤踔帘ǖ奈ｋU(xiǎn)。因此，針對(duì)上述各種情況，我們專門設(shè)計(jì)了一款可靠、便攜、價(jià)格低廉的手機(jī)充電器。

2.設(shè)計(jì)方案

電路電源由變壓器T降壓，二極管VD1至VD4整流。三端調(diào)節(jié)器塊A1調(diào)節(jié)電壓并提供C1和C2濾波器。在供電之后，向充電器提供穩(wěn)定的9V直流電壓以供使用。電壓比較器由時(shí)基電路A2構(gòu)成。在其控制端，引腳5具有齊納二極管VS（穩(wěn)定電壓為5.6V），因此電路的復(fù)位電平設(shè)置為5.6V。發(fā)光二極管VL是充電指示器。

1節(jié)5號(hào)鎳鎘電池正常工作電壓為1.2V，充電終止電壓為1.4V左右。G為4節(jié)待充的鎳鎘電池，所以充電終止電壓為4×1.4V=5.6V。將電池裝入充電支架后，合上電源開關(guān)S，便可開始充電。電路工作過程：由于電容C3兩端的電壓不能突變，當(dāng)電源接通時(shí)，A2引腳2為低電平，A2為觸發(fā)置位，3引腳輸出為高電平，這個(gè)高電平由電位器RP，二極管VD5給電池充電G并更改RP值以調(diào)整充電電流[1]。此時(shí)，A2的7腳懸空，VL燈指示電路正在充電。當(dāng)充電繼續(xù)時(shí)，G兩端的電壓逐漸增加。當(dāng)上升到5.6V時(shí)，A2復(fù)位，引腳3輸出低電平，充電自動(dòng)終止。同時(shí)，A2內(nèi)放電管導(dǎo)通，7針輸出低，VL熄滅，充電結(jié)束。

3.系統(tǒng)原理及理論分析

3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)組成

單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。它主要用于鍵盤按鍵管理、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)采樣和分析系統(tǒng)參數(shù)以及部分反饋環(huán)節(jié)的整體調(diào)整。它主要包括AT89S52單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。

3.2系統(tǒng)性能

系統(tǒng)通過單片機(jī)整體控制，簡化了電路，避免了使用分立元件的繁瑣和相互干擾，提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，恒流充電部分利用MOS管的高阻特性，很好地控制了回路電流的穩(wěn)定性，恒壓充電部分，集成三端穩(wěn)壓器的使用保證了負(fù)載兩端電壓的穩(wěn)定，恒壓和橫流充電的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的安全性充電，實(shí)驗(yàn)證明該充電電源結(jié)構(gòu)簡單，慢充、快充可選，使用方便，使用PT1000使電路更加安全。

4.統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的總框圖

本系統(tǒng)主要通過單片機(jī)采樣實(shí)現(xiàn)負(fù)載的保護(hù)性充電（當(dāng)負(fù)載電壓低于設(shè)定電壓閾值時(shí)為恒流充電狀態(tài)，等于設(shè)定電壓閾值時(shí)為恒壓充電狀態(tài)），且慢充快充可調(diào)，并能實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。LCD 12864負(fù)責(zé)顯示負(fù)載電壓、充電電流、充電時(shí)間。當(dāng)負(fù)載電壓小于10V時(shí)信號(hào)經(jīng)ADC和單片機(jī)處理后送到功放電路，輸出信號(hào)對(duì)壓控恒流元件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的恒流充電;當(dāng)負(fù)載電壓等于10V時(shí)，信號(hào)通過處理經(jīng)過穩(wěn)壓電路對(duì)負(fù)載進(jìn)行恒壓充電。通過鍵盤可以實(shí)現(xiàn)慢充和快充的切換，PT1000的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的過熱保護(hù)，并可以自動(dòng)恢復(fù)，進(jìn)一步保證了安全充電。

4.2 恒流充電原理

當(dāng)負(fù)載電壓發(fā)生變化，將采樣電阻獲得的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，送給單片機(jī)處理，最后通過D/A轉(zhuǎn)換整理出處理后的信號(hào)，送到MOS管，MOS管具有恒壓控制恒流的作用，即當(dāng)Ugs和Uds恒定時(shí)可以得到恒定的電流Id，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的恒流充電[7]。

恒流源采用的是MOS管，它的VGS為20V，ID為33A。截止時(shí)，最大漏電流為1μA，導(dǎo)通電阻僅有0.04Ω。

4.3 恒壓充電原理

恒壓充電和恒流充電信號(hào)采樣和處理采用同樣的方法，只是恒壓充電時(shí)，信號(hào)被處理后反饋到另一條支路，通過三端穩(wěn)壓器組成的恒壓源對(duì)負(fù)載進(jìn)行恒壓充電。

4.4過熱保護(hù)控制

為了使本數(shù)控充電電流源能更好的實(shí)現(xiàn)安全性充電，我們使用了PT1000溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦有過熱現(xiàn)象，采樣電阻會(huì)將檢測(cè)到的信號(hào)傳給單片機(jī)，斷開充電回路，當(dāng)溫度下降，又會(huì)通過單片機(jī)控制，自動(dòng)恢復(fù)。

5.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

分析：電路中被充電電源的狀態(tài)改變主要表現(xiàn)在其內(nèi)阻的變化，因此我們采用了電壓源串聯(lián)可調(diào)電阻的方式模擬電源在充電的各個(gè)時(shí)期其內(nèi)阻的變化狀態(tài)，經(jīng)精確測(cè)量得上表，滿足了負(fù)載電阻變化時(shí)電流浮動(dòng)不超過3mA的要求。

參考文獻(xiàn)：

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[5]系列單片機(jī)應(yīng)用與實(shí)踐教程.第一版.周向紅. 北京航空航天大學(xué)出版社，2016