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1、前 言随着手机的普及，手机充电器已经成为现代家庭中常用的电器之一。手机的品牌和型号众多，各种手机充电器形状和接口不同，但它们的原理和功能基本累死，电路结构大同小异。本文就各种简易手机充电器做一下研究。目前市场上的充电器有 USB 手机充电器、手机万能充电器、太阳能手机充电器、电源适配手机充电器几种。一、 USB 充电器方案2 0 0 6 年12 月, 信息产业部正式发布“ 移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法” 标准, 2007 年6 月14 日起, 强制执行该标准。该标准将使充电器及手机采用通用串行总线(Univer-sal Serial Bus US B) 接口, 可实现一线多用,
2、 可用于充电, 也可用于数据传输。1 USB 接口手机充电器方案Usb 是新型的热插拔式接口, 除了丰富的数据通讯功能外, 电源还可用于给手机充电。在常见的铿离子电池充电方案中, 首选的是恒流恒压(Con-stant Current Constant Voltage，CCCV)充电方案。1.1 USB 接口USB是一种带有电源和地的双向数据端口，U SB 总线能够为所有类型的低功耗电子设备提供电源。但是, 可用电流是受限的。低功率端口提供的电源为4.4 V 一5.25 V、电流为10 m A ; 高功率端口提供的电源为4.75 v 一5.25 v、电流为100 mA。图l 是USB 2.0 压
3、降示意图。US B 规范定义了1 个单位负载为10 m A, 任何设备允许吸取的最大电流为5 个单位负载。由USB主机或带电源的集线器提供的能驱动5个单位负载, 电缆外设端的最小可用电压为4.5v。而由USB总线驱动的集线器能驱动1个单位负载, 提供的最小电压为4.35 V 。用这些电压对充电电压典型要求为4.2 V 的锂电池充电时, 只有很小的裕度, 这使得充电器的压降变得极为重要。所有接入U SB 端口的设备必须经过枚举过程, 枚举过程完成后, 如果主机的电源管理软件允许, 则大功率设备可以吸取更大的电流, 否则主机将关闭USB端口。1.2 手机锂电池CCCV 充电方案一个典型的cccv充
4、电曲线如图1所示。充电器必须首先检查电池, 以便确定对电池进行快速充电是否安全。如果电池电压低于约2 .5 v , 1c 的充电就会对电池造成永久性的损伤。此时, 充电器通常是以C/ 10 一c/15 巧量级的速率对电池进行涓充, 直到其电压上升到规定限。一旦电池通过检查, 充电器便以恒定电流始电池充电。如果配备了安全定时器, 充电器在启动快速充电的同时还会开启定时器。随着电池电压在恒流充电下的上升, 充电器持续提供恒定电流直到电池电压到达恒压( vcv ) 门限。当电池到达恒压门限时, 实际的充电量接近于其容量的40 % 至70 % 。为了充满电池, 充电器提供一个等于Vcv 门限的恒定电压
5、, 在此充电阶段, 充电电流随着时间逐渐减小, 恒定电压一直持续到充电电流降低至c/ 10 一c/15 巧, 或者安全定时器到时, 一个充电过程结束。2 USB手机充电器电路目前, 许多芯片公司都开发出了USB接口的锂离子电池手机充电IC。Linear Technology公司推出的单节锂离子电池充电器LTC4062符合USB总线技术规范。图3 是用LTC4062设计的USB手机充电器电路。2.1 LTC4 O6 2 主要性能( l) 可以用插头式( AC/DC适配器) 电压4.3V 一8V 或USB端口供电;( 2 ) 完善的充电算法: 预设浮充电压为4.2V土0 .35 % ,在VRAT2
6、.9V时, 以大电流恒流ICHG=1000/Rporg充电, Ichgmax可达1A;在Vbat3 V , 则直接用Ichg恒流充电, 无涓流充电阶段。LTC4062可采用5V插头式电源或U SB 端口作电源进行充电, 若两种电源都接上, 则S V 插头式电源优先。采用5V插头式电源可提供Ichg=1000/（Rporg/R4）充电电流, 在USB端口供电时, 充电电流减小到Ichg=1000/Rporg500mA。2.3 主机对充电器的枚举所有接人USB 端口的设备启动时消耗电流都不能超过10 n 1A。与主衫U左行通信后, 主机才能决定是否可以用足50 n 1A 电流。如果U SB 设备未
7、经过枚举过程便从U SB 端口吸取大电流(超过1 个单位负载), 则主机会检测到过流状态, 并会关闭正在使用的一个或多个US B 端口。该充电器设计了一个R C 积分电路接到c/ 5 端, 解决了U SB 设备未经过枚举过程便从US B 端口吸取大电流而导致主机关闭USB 端口的难题。当U SB 端口接人充电器后, 口5端为低电平, U SB 端口的电流 lo mA, 在T = R c时间内, 主机已完成对U SB 端口的枚举,C/ 5 端为高电平, 充电器进人全电流充电。3 结束语USB端口是一个经济、实用的充电器电源。基于LTC4062设计的USB端口手机充电器电路符合“移动通信手持机充电
8、器及接口技术要求和测试方法”标准。本设计解决了USB设备未经过枚举过程便从USB端口吸取大电流而导致主机关闭USB端口的难题。但使同一个充电器为不同型号的手机充电, 仍有一些问题需要探讨: 一是USB端口最大电流为50mA,如果为大容量手机电池充电需要较长的时间, 这需要AC/ D C 适配器; 二是大部分手机电池门限电压为4.1V 或4.2V , 充电器要能自动识别并提供两种电压是相当困难的;三是充电器接口统一为USB接口,使手机的个性化设计受到一定的限制。二、 万能充电器1 万能充电器简介手机充电器主要按照使用的方式进行分类。手机充电器大致可以分为座式充电器、旅行充电器和车载充电器。* 座
9、式充电器。这类充电器一般多为慢充模式，充电时间较长，大约为45 小时。* 旅行充电器。大多数手机标准配置中只有旅行充电器。旅行充电器和座式充电器对电池充电的效果是一样的。这类充电器携带方便，对于经常出外旅行的人来说比较合适，它一般是快速充电方式，充电时间为23 小时，旅行充电器基本都具有充满自停的功能，对手机不会有任何不良影响。* 车载充电器。这类充电器可以方便用户在汽车上为手机充电。其原理是采用汽车点烟器的电流电压1224V，经“车充”内部电路进行稳压，整流滤波后，输出合适手机充电所需电压，对电池进行充电。车载充电器的一端插入点烟器，另一端连接手机，一般充电电流较大，属快速充电，一般充电时间
10、为6090 分钟。现在在一些大城市的主要商场、饭店、车站出现了一种给手机充电的装置，叫做“街头手机充电器”，这种装置有一人多高，分布有不同手机品牌的充电插头，只要把充电器上的小夹子往电池上一夹，再投进去一元硬币，您的手机就可以10 分钟的电，并可维持至少5个小时的待机时间。在这里仅介绍本公司生产的万能充电器的开发，其他类型充电器开发大同小异，不做阐述。2 方案定向根据客户意向，由销售部整理出客户需求的新产品方案，反馈到开发部门，由开发参与评定新产品的开发可行性，然后进行初步报价。由公司利益出发，确认是否开发立项；确认立项后，然后进行后续工作接到立项通知后，先制作新产品基本规格要求书，写明新产品
11、功能与性能要求及产品的外观，闪灯效果。ID 拿到基本规格要求书后，先会绘制草图进行构思，接下来集中评选方案，确定下两三款草图，满足客户要求，这两三款草图之间又要在风格上有差异，然后上机绘制整体构架，进行整机细化，期间MD 要尽可能为ID 提供技术上的支持，如工艺上能否实现，结构上是否出现干涉等，ID 完成整机效果图经领导筛选，最终确认的方案就可以开始转给MD 做结构建模了。根据效果图片在外观件上进行拆件，从主到次依次制作，先按整体布局设置零件，有一点需要注意，插头一般在前端，LED 灯在后端，夹电池力的产生装置在后端（万能充，也可以横着夹，不可倒头，那样连接片容易接触到插头弹片，且在充电时，电
12、池是向下夹，容易脱落），另外夹紧位置在前端。初步拆件在ID设计时已经基本定型，主要零件有：面壳、底壳、透明盖、PCBA 板、自攻螺丝。次要零件有：插头、压片、弹片、灯片、装饰件、铁杆、左扭簧、右扭簧、接触片、连接片、拨动帽、DC 压片、海绵(硅胶)等结构件。三 、智能手机充电器的设计摘 要随着手机的普及，手机充电器已经成为现代家庭中常用的电器之一。虽然手机的品牌和型号众多，各种手充电器形状和接口不同，但它们的原理和功能基本一样，电路结构大同小异。所有手机充电器其实都是由一个稳定电源加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。本论文将以单片机和充电芯片 MAX1898 为核心来构建一种智能充电器。
13、对智能充电器的软件部分的设计与研究，是本论文研究的主要任务。本论文的重点有两方面内容:1.充电的实现；2.智能化的实现。本课题设计是一种基于单片机的锂离子电池充电器，在设计上，选择了简洁、高效的硬件，设计稳定可靠的软件，详细说明了系统的硬件组成，包括单片机电路、充电控制电路、电压转换及光耦隔离电路，并对本充电器的核心器件MAX1898 充电芯片、AT89C2051 单片机进行了较详细的介绍。阐述了系统的软硬件设计。以 C 语言为开发工具，进行了详细设计和编码。实现了系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。该智能充电器具有检测锂离子电池的状态；自动切换充电模式以满足充电电池的充电需要；充电器短路保
14、护功能；充电状态显示的功能。在生活中更好的维护了充电电池，延长了它的使用寿命。1 电池的充电方法充电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到 90%就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方法。专用的充电芯片具备业界公认较好的V 检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后
15、增加及时关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池的使用寿命。本设计要实现的是手机的单节锂电池充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力，因此选择 Maxim 公司的 MAX1898 作为电池充电芯片。针对充电器开发的电池充电管理芯片业很多，可以直接使用这些芯片进行充电器的设计。但是，充电器实现的方式不同导致其充电效果不同。由于采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到 90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。一般的，为
16、了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫，电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充。设计比较科学的充电器采用专业充电控制芯片，具备业界公认较好的V 检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。些芯片往往具备了充电过程控制，加上单片机对充电后的功能，还可加入关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等，就可以完成一个比较实用的充电器。2 充电控制技术充电有两种不同的方法，即对电池进行大电流充电和小电流充电，也就是快速充电和慢速充电。充电主要是通过快速充电来完成。本节主要说明快速充电控制技术选型和快速充电控制器件选型。3 快速充电器介绍快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。常用的充电电流值为0.32 小时率电流。小时率电流值是由公式 C(Ah)/t(h)规定的，其中 C 代表电池额定容量，t 代表时间。例如用 1 小时率电流对 5 号锂电池快速充电，根据0.5(Ah)1(h)500(mA)，即采用 500mA
