手机充电器原理课件

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1、1,手机充电器讲述,东莞亚力通电子科技有限公司,版本:1.0,2007年5月15日 研发部,2,简述及目录,手机充电器设计与电源适配器很相同,根据目前市场运作的情况来看,大致分为内单和外单两种,按照科学原理来划分,原本应是没有区别的,这与中国的市场行情和法制及其它方面有特定的关系,中国人的消费观念和法制意识与发达国家不一样,从而导致出现这种“一国两制”格局,总体来说,两种充电器都可以使用,但是可靠性和品质方面存在很大的差异,成本也是天壤之别。国内单充电器通常没有光藕,因此输出电压很难控制,负载能力,3,简述及目录,较差,一般输出的电压偏高,带上负载后,电压才正常,手机充电器的输出电压通常做到参

2、数为:4.8-5.5V/650mA,就可以适配大部分手机,手机接口输出较为复杂,种类也较多,本来许多手机的充电电压和电流较为相似,由于存在接口的区别而分为许多型号,。 从目前市场上流通的充电器来看,质量事故频频发生,原因不是产品原理有问题,而是制造厂家为了追求高利润使用了质量较差元件或二次回收元件造成的,外单充电器要求较高,成本通常是内单充电器的3-5倍,质量当然要好。,4,内单充电器的设计,目录 第一章:充电器设计的初步要求; 第二章:设计原理; 第三章:变压器设计; 第四章:充电器的调试和测试流程; 第五章 充电器的参数解说。,5,第一章 充电器设计的初步要求,电子技术初学者独有一种跃跃欲

3、试的感觉,希望快点上手,能做一种产品出来,使自己有成就感,古话说“欲速则不达”,那么,电子技术的硬件如何才能快速的上手呢?这个问题很难说一个准确的时间,因为硬件的学习是一个长期经验积累的过程,并且和实验挂靠得比较紧,没有实践调试经验,硬件水平很难有一个实质性的提高,一句话,硬件设计没有5年以上的设计和调试经验,不可能成为真正的硬件电子工程师,如果要我来谈一谈硬件的入,6,第一章 充电器设计的初步要求,门条件,我只能根据自己的经历和学习过程来谈一谈学习硬件应该注意哪些方面,当然,各个人有自己的学习风格,学习的方法也不一样,笔者最开始是做软件设计的,后来才改做硬件,下面我来讲一讲电子技术的学习要求

4、。电子技术硬件的学习在开始时是非常困难的,因为许多电路图中,单说一个一个的元件,说不定你们都认识或者知道,但是多个元件组合在一起,我们就会发闷,以至会失去,7,第一章 充电器设计的初步要求,学习的信心,这时你们就要注意了,任何事情都不能急于求成,特别是电子技术的学习,它是一个反复学习的过程,一段时间不学习,就有可能会忘记过去学到的知识,因此电子硬件技术要注意以下点:,8,第一章 充电器设计的初步要求,1.掌握电阻的电压电流变化特性,电容的充放电特性,特别是它的零状态响应和零输入响应,晶体二极管和三极管的组织结构,弄清楚晶体二极管的整流特性和稳压二极管的反向击穿特性,弄清楚三极管三种状态的条件:

5、绝止,饱和,放大。,9,第一章 充电器设计的初步要求,2.背诵一些典型电路图,比如:三端稳压电路,工频整流电路,单稳态触发电路等等,不要认为这是死记硬背的学习方法,其实许多电路我们在口头上都说得出来,但是一旦要你用笔画出原理图,总是有那么一点点困难. 3.找一些小规模的原理图来分析一下,再按照其原理做出一个硬件实物,如果有条件,可以测试一下原理图的正确性,并进行改进;,10,第一章 充电器设计的初步要求,4.有了以上的一些基础,我们就要注意高频电路和低频电路的区别,特别是元器件的区别,注意高频元件和低频元件的应用范围,还要注意大功率电路和小功率电路的元件的区别,特便要学会看元件参数图和厂家提供

6、的参数表; 5.找一个比较典范的开关电源原理图,特别是分立元件设计的电路,笔者认为学电子技术硬件,从开关电源入手最快,为什么呢?,11,第一章 充电器设计的初步要求,因为电源应用非常广泛,几乎每一种设备都离不开电源,不要认为电源的设计非常简单,其实电源的设计原理可能简单,但是要设计一个认证电源,可不是那么容易,电源设计涉及的面比较广泛,包括磁性元件,功率元件,高频整流,过压保护,过流保护,EMI,EMC的测试及设计等等,如果开关电源精通了,可以说电子硬件技术已经入门了;,12,第一章 充电器设计的初步要求,6.学习磁性元件的设计,特别是开关变压器和滤波电感的设计; 7.熟知电子领域的各种认证,

7、比如:UL,CE,TUV等等,了解这些认证的程序申请流程及测试的要求;,13,第一章 充电器设计的初步要求,8.学习一些单片机的软件设计,不要求非常精通,但一定要注意单片机的控制原理,了解单片机的最小系统原理和扩展原理; 9.学习电路设计工具的使用,比如:PROTELL,PADS2000,POWERPCB等等,最少要精通两种这样的设计工具。,14,第二章:设计原理,目前市场上流通的手机充电器外观五花八门,但是原理却相同,国产充电器一般来说都没有光藕作为稳压反馈,因此输出功率和整机效率较低,可靠性能较差,一般都过不了3C认证, EMI,EMC都会存在一些问题。本章所讲的原理可以制作大部分手机充电

8、器,只要变动几个参数即可,原理一样,BOM不同,下面开始讲述其原理。,15,第二章:设计原理,原理图如下:,16,第二章:设计原理,原理说明: 设计电源较为传统的为RCC模式,特点就是成本较低,易于生产,变换的实现主要靠开关变压器的初级和辅助绕组形成电感式振荡器来完成,PWM波形没有它激式规则,输出纹波比一般的正激式的偏高,输出绕组既做储能电感,又作滤波电感用,因此单端反激式变换器不需要输出电感,设计结构比较简单,易于大批量生产。,17,第二章:设计原理,R1为保险丝电阻,这种电阻与普通电阻和保险丝在制作工艺上有较大区别,其取值与R6,变压器和开关管有关,R6为限流保护电阻,保护开关管Q1,计

9、算方法为:我们通过对变压器的设计知道流过变压器的电流的大小Ip(请参考变压器设计),这个值的大小与开关管的Ic是一样的,如果开关管容许的最大电流为Ic(Ip)=100mA,18,第二章:设计原理,(初学者可以根据开关管的参数表进行确定),那么R6= 0.7V/Ic=0.7/0.1=7欧姆,取标准值6.8欧姆,如果IcMAX=100 mA,那么,R1上的电流值一般取3-5倍的Ic,在此取500 mA,电阻的额定功率为0.5W,那么R1= P/(I*I)=0.5/(0.5*0.5)=2欧姆。说明:如果是保险丝,电阻值可以不必计算。,19,第二章:设计原理,D1,D2,D3,D4有些手机充电器厂家为

10、了节约成本,将此电路用一只二极管进行整流,优点是成本低,缺点就是带载能力差,输入电压适应范围小,输出纹波和噪声较大,参数确定:二极管耐电流为Ic(Ip)的3-5倍,反向击穿电压为输入整流后的直流电压Vindc的3-5倍,通常使用1N4007即可,如输入电流Ic(Ip)较大,可以选用电器参数更加高的二极管。,20,第二章:设计原理,C1为稳压电容,电容越大,输出纹波越小,稳压效果越好,但是成本就越高,此电容与R1也有一定的关系,如果太大,启动时R1的流动电流就会越大,整机浪涌电流就会越大,如选型不对,会造成开机烧保险丝电阻,C1选型与输出功率及负荷维持时间有关,计算如下: C1=2*Pin*(0

11、.25+cycle+asin(Vop/Vrpeak)/6.2832)/fin/(Vrpeak2-Vop2),21,第二章:设计原理,此公式较为复杂,我在这里作一个简单的说明:公式中的cycle为断电周期,也就是当输入电压断电时,要使输出维持一定的时间,这个时间即为cycle,Pin为输入功率,它是输出功率和效率的比值,Vop为最小输入直流电压,Vrpeak为输入直流电压,是输入交流电压的1.414倍,Vrpeak=VinAC*1.414,fin为开关频率,asin为三角正玄函数的反函数,Vop表示平方计算。,22,第二章:设计原理,Q2是开关管,具体的选定要根据整机输出功率才能决定,集电极电流

12、与下面的公式有关: K是比例系数,通常取4,Vin为输入最小电压,为整机效率,通常取0.7,Po为输出功率,通过上面的计算就可以得出集电极电流I1p的大小,开关管的耐压通常取2-3倍的VINmax即可。额定功率的计算在此不作讲述,请参考外单充电器的设计。,23,第二章:设计原理,C3,R7,D5是尖峰逆制电路,主要是将开关管截止时的能量返回给初级输入端,从而降低开关的工作温度和尖峰电压,此电路另外一个作用就是可以减小EMI的干扰,R7大小要根据实际情况进行确定,取值大小要根据变压器的参数进行调整。经验值为R7=30-150K/0.5W,C3=1000-4700P,二极管D5为FR102或1N4

13、007G即可。,24,第二章:设计原理,R3是启动电阻,开机时,此电阻将拉电流注入开关基极,慢慢启动开关电路,使开关管导通,电阻值的大小对整机短路电流和功耗有较大影响,电阻越大,功耗和短路电流就会越小,但是电阻值太大也会造成启动困难,因此选值时也要根据实际情况进行确定,经验值一般为:330K-6M。,25,第二章:设计原理,R8是驱动电阻,在R3启动过程中,驱动电阻就开始有电流流动,从而加速开关管的导通,C2是加速电容,启动初期,R8对其充电,随着时间的变化,C2慢慢被充饱而截止,C2的选值与开关管的节电容有关,通常不能太大,参考值为开关管节电容的2-5倍,R3的计算较为复杂,下面我们重点来讨

14、论一下:,26,第二章:设计原理,Q2进入ON状态,输入电压将加在变压器的初级绕组上。由匝数比可知,辅助线圈上产生的电压为: 该电压与Q2导通极性相同,因此将维持Q2的导通状态,此时基极电是连续的稳定电流。设晶体管Q2的基极-发射极间的电压为,二极管D6的正向电压为V6,则Ib可表示为:,27,第二章:设计原理,但是, Q2的集电极电流为一次函数,经过某一时间后达后,集电极电流与直流电流放大倍数之间将呈现如下关系:,28,第二章:设计原理,即在上述公式成立的条件下,Q2才能维持ON状态。在基极电流不足的区域,集电极电压由饱和区域向不饱和区域的转移。于是,线圈的电压下降,导致线圈的感应电压也随之

15、降低,基极电流Ib进一步减小。 因此随基极电流不足开关管关断程度不断加深,Q2迅速转移至OFF状态。,29,第二章:设计原理,如果晶体管处于OFF状态,变压器各个绕组将产生反向电动势,次级绕组使D7导通,电流流过负载,经过某一时间后,变压器能量释放完毕,电流变为0。但是,此时在绕组中还有极少量的残留能量,这部分能量再一次返回,使基极绕组产生电压,再次ON,晶体管继续重复前面的开关动作。,30,第二章:设计原理,上面介绍的动作过程是输出电压进入稳定动作之前的初始状态。需要注意的是,在该电路中开关晶体管基极的驱动条件极为重要。 例如,输入电压上升,Ib也增加,在集电极电流达到一定程度后Q2才能导通

16、,因此应该延长晶体管的ON时间,否则的话,输入电压下降,无法产生集电极电流。,31,第二章:设计原理,此外,在确定基极电阻时还要考虑晶体管的电流放大系数的离散性,应按照最低输入电压下仍能保证足够基极电流的条件来确定基极电阻R8。 此时,如何确定基极线圈匝数是一个问题。 若晶体Q2 OFF,在发射极基极之间加有反向电压,但它不能超过晶体管的额定值 ,设次级输出电压为,则有,32,第二章:设计原理,由该条件求出的电阻R8,若考虑输入电压处于工作范围上限的情况,那么前面式子中的Ib与将不再成正比关系。即由于电路包含二极管的正向电压降及晶体管的节电压,基极电流的最大值远大于的变化率,此时R8的功率损耗不可小视。 R8为电阻负载,流过它的电流为方波(由于便器的差异特性,有时输出的波形不规则),因此,R8损耗的有效值PR8为:(T为开关周期;为晶体管的ON时间0,33,第二章:设计原理,实际的设计中,损耗相当大,这是不能忽略的,这也是整个转换效率低下的主要原因。 Q1为保护关断晶体管,当输出电压过高或者开关管电流超出设定值时,Q1导通,导致开关管关断,从而保护开关管和控制输出电压,因

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