0 引言

    隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，手機(jī)已成為人們生活中必不可少的一部分，而手機(jī)充電器作為手機(jī)最為重要的配件^[1]，卻頻頻引發(fā)電能浪費(fèi)及火災(zāi)等安全事故的發(fā)生，因此其性能的好壞一直也是備受矚目的焦點(diǎn)。

    現(xiàn)有的充電器是由小功率開(kāi)關(guān)電源組成的，通過(guò)橋式整流，經(jīng)過(guò)電解電容濾波后提供給開(kāi)關(guān)電源控制芯片^[2]。控制芯片產(chǎn)生的高頻PWM脈沖通過(guò)高頻變壓器降壓，再經(jīng)過(guò)高頻整流濾波后提供給手機(jī)電池充電^[3]。

    現(xiàn)有的手機(jī)充電器存在如下問(wèn)題：

    (1)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作后，整流橋、電解電容、開(kāi)關(guān)電源控制芯片老化引起故障，從而導(dǎo)致過(guò)流、短路引起火災(zāi)。特別是人們習(xí)慣充電完后未拔出充電器時(shí)更為嚴(yán)重；

    (2)每次接通電源時(shí)電解電容受到很大的浪涌電流沖擊，加快老化速度；

    (3)充完電后未拔出充電器，長(zhǎng)期處于待機(jī)工作狀態(tài)消耗電量，造成電能浪費(fèi)；

    (4)瞬間過(guò)壓的能力差，一旦發(fā)生瞬間過(guò)壓容易產(chǎn)生元件損壞導(dǎo)致過(guò)流、短路引起火災(zāi)。

    鑒于上述問(wèn)題提出防火節(jié)能型手機(jī)充電器，這種充電器利用由場(chǎng)效應(yīng)管和低功耗單片機(jī)組成微功耗智能型電子開(kāi)關(guān)，正常充電時(shí)電子開(kāi)關(guān)飽和導(dǎo)通進(jìn)行充電，當(dāng)充電結(jié)束時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)充電器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，其待機(jī)功耗約13 mW，幾乎不耗電，可長(zhǎng)期接通電源。一旦充電器故障引起短路、過(guò)流，則快速自動(dòng)斷開(kāi)，并提示故障。且可吸收浪涌電流，能承受600 V、5 s的瞬時(shí)過(guò)壓，大大提高了充電器的安全性。

1 現(xiàn)有的各種充電器的輸入電流特性分析

    現(xiàn)有的手機(jī)充電器是將220 V交流電經(jīng)整流濾波后提供給變換器^[4]，因?yàn)V波時(shí)使用容量大的電容，因此每次接通電源時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流會(huì)沖擊整流橋和濾波電容從而加速老化。

    圖1為對(duì)三星、華為、通用手機(jī)充電器的實(shí)測(cè)浪涌電流波形，可見(jiàn)三星充電器的浪涌電流較小約2 A，維持時(shí)間約1 ms；通用手機(jī)充電器的浪涌電流較大約3.4 A，維持時(shí)間約0.2 ms；華為充電器的浪涌電流約2.4 A，維持時(shí)間約30 μs。

    以上三種手機(jī)充電器中，華為的充電功率最大，正常充電時(shí)工作電流最大，為了對(duì)比浪涌電流和正常充電時(shí)的工作電流，實(shí)測(cè)了華為充電器在220 V狀態(tài)下正常充電時(shí)的工作電流波形，如圖2所示。

    可見(jiàn)充電時(shí)的工作電流約0.22 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接通時(shí)產(chǎn)生的很大的浪涌電流，說(shuō)明接通時(shí)電流較大但正常工作時(shí)電流較小。

2 防火節(jié)能型手機(jī)充電器的整體框圖和功能

    圖3為防火節(jié)能型手機(jī)充電器的整體框圖，主要由交流220 V電源、快速限流器、充電用5 V變換器、微功耗降壓電源、5 V/3.3 V變換器、MK6A12單片機(jī)及S1組成。

    微功耗降壓電源以低功耗方式給5 V/3.3 V變換器提供電源，為了降低待機(jī)功耗，待機(jī)狀態(tài)下使用3.3 V，正常充電時(shí)使用5 V，由單片機(jī)來(lái)控制。

    為了便于操作，用一個(gè)3色LED和單鍵S1操作使用。圖4為操作示意圖，按一下S1 0.3~0.5 s綠色LED亮，此時(shí)定時(shí)時(shí)間為1小時(shí)；再按一下S1 0.3~0.5 s黃色LED亮，定時(shí)時(shí)間為3小時(shí)，一旦定時(shí)時(shí)間到將自動(dòng)斷電。若想手動(dòng)關(guān)閉電源，按住S1 1~3 s后LED燈滅，此時(shí)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。若紅色LED燈亮，說(shuō)明此時(shí)發(fā)生故障。

    為了降低功耗，LED指示燈以0.2 s亮0.6 s滅的方式工作。

3 防火節(jié)能型手機(jī)充電器

3.1 快速限流電路設(shè)計(jì)

    控制電路如圖5所示，以華為手機(jī)充電器為例，其正常充電時(shí)工作電流約0.2 A，若設(shè)定過(guò)流保護(hù)點(diǎn)為0.5 A，則能滿足所有充電器的要求。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、短路電流超過(guò)0.5 A時(shí)，由Q2組成的硬件電路進(jìn)行快速限流，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析后停止充電，此時(shí)紅色LED閃亮表示故障。

    由Q2、Q3、R₄、R₅、R₆及單片機(jī)U1組成快速限流電路。

    采用圖解法確定限流電阻R4。Q2的U_GS和I_D之間的關(guān)系應(yīng)同時(shí)滿足式(1)表示的轉(zhuǎn)移特性關(guān)系及式(2)表示的外部特性關(guān)系，如圖6所示。

    式(2)中U_A=5 V，由于R₅、R₆遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R₄，因此R₅、R₆對(duì)R₄影響忽略不計(jì)。

    可見(jiàn)當(dāng)限流電流約為0.5 A時(shí)R₄=3.3 Ω、U_GS≈3.3 V。當(dāng)充電器正常工作時(shí)只需約0.2 A的電流，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管工作在B點(diǎn)，U_GS≈4.3 V，此時(shí)Q2可提供的電流遠(yuǎn)大于1 A，因此Q2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

    當(dāng)電路處于限流時(shí)R₄兩端的電壓經(jīng)過(guò)R₅、R₆分壓后應(yīng)得的電壓應(yīng)大于0.5 V使Q3導(dǎo)通，為此應(yīng)滿足式(3)的條件。

式中I_D=0.5 A為過(guò)流保護(hù)點(diǎn)，R₄=3.3 Ω，因此選取標(biāo)稱值R₅=1 kΩ，R₆=2.2 kΩ。

3.2 超低功耗待機(jī)電源設(shè)計(jì)

    充電器處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)超待機(jī)功耗的目的，設(shè)計(jì)超低功耗串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源，平時(shí)只提供小于50 μA的電流，當(dāng)LED工作時(shí)提供2 mA左右的電流，如圖7所示。

    將220 V交流電壓通過(guò)D2進(jìn)行整流后經(jīng)R₃限流后利用D3穩(wěn)壓，由于限流電流很小，D3兩端獲得約為9 V的脈動(dòng)電壓，此電壓經(jīng)過(guò)Q1驅(qū)動(dòng)后在C₁上產(chǎn)生約為6.5 V的電壓。

    HT1050和HT1033均為低功耗穩(wěn)壓芯片，這種芯片最大輸入電壓為12 V，靜態(tài)電流為2.2 μA，最大輸出電流為30 mA^[5]。5 V、3.3 V電壓切換是利用HT1033來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

    5 V/3.3 V端連接到U1的漏極開(kāi)路輸出端PB2，上電時(shí)U1的PB0引腳的場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，將短路R₈，因此HT1033輸出為3.3 V。當(dāng)PB0引腳的場(chǎng)效應(yīng)管漏極開(kāi)路時(shí)，R₇、R₈對(duì)輸出電壓分壓后提供給HT1033的1腳，此時(shí)輸出電壓U_x取決于式(4)。

式中U₀=3.3 V是HT1033的輸出電壓，I₀=2.2 μA是HT1033的靜態(tài)電流，為了降低功耗，將R₇、R₈的電流限制在10 μA以內(nèi)，應(yīng)滿足式(5)的條件。

    根據(jù)式(5)可得R₇≥330 kΩ，因此選取標(biāo)稱值330 kΩ，為得到U_x≈5 V的工作電壓將R₇=330 kΩ代入式(4)可得到R₈=142 kΩ，因此選取標(biāo)稱值R₈=150 kΩ，得U_x=5.1 V。

3.3 超低功耗控制器的設(shè)計(jì)

    MK7A23和MK6A12都是一種性能價(jià)格比很高的單片機(jī)，內(nèi)含4 MHz的RC振蕩器（可通過(guò)外部電阻設(shè)定頻率）、WDT及復(fù)位電路，工作電壓為2.5~5 V，價(jià)格很低廉，功耗低，非常適合于各種工業(yè)控制器^[6]。

    表1為MK6A12P的工作頻率、工作電壓與電流之間的關(guān)系。可見(jiàn)振蕩頻率為32 kHz、工作電壓為5 V時(shí)其工作電流為290 μA，而工作電壓切換至3.3 V時(shí)其電流僅為4.3 μA，大大減少了待機(jī)功耗。

    如圖5所示電路中，由Y1、C₂、C₃、U₁、R₁、D1、S1組成控制器，Y1使用32.768 kHz的晶振。充電時(shí)按一下S1則U1開(kāi)始定時(shí)，并把PB0變成高電平Q2飽和導(dǎo)通，5 V變換器得到電壓開(kāi)始充電。當(dāng)充電器發(fā)生過(guò)流、短路時(shí)其脈沖電流超過(guò)設(shè)定值0.5 A，經(jīng)由Q2組成的硬件電路進(jìn)行快速限流，PB1為低電平經(jīng)過(guò)U1檢測(cè)后將PB0變成低電平關(guān)閉Q2。

3.4 待機(jī)功耗計(jì)算

    U₂=220 V是交流電有效值，將I₁=4.3 μA、I₀=2.2 μA、U₀=3.3 V代入后可得P≈13 mW，實(shí)現(xiàn)了待機(jī)功耗小于20 mW的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    圖8、圖9、圖10為Q2的I_D分別為0.3 A、0.4 A、大于0.5 A時(shí)U_DS、I_D、U_R4的實(shí)測(cè)工作波形。

    當(dāng)I_D=0.3 A時(shí)，U_DS≈0.8 V；當(dāng)I_D=0.4 A時(shí)，U_DS≈1.2 V；當(dāng)I_D＞0.5 A時(shí)，U_DS≈26 V，U_R4≈2 V。可見(jiàn)，當(dāng)I_D<0.5 A時(shí)，Q2幾乎進(jìn)入飽和狀態(tài)；當(dāng)I_D>0.5 A時(shí)，U_R4穩(wěn)定不變，Q2迅速退出飽和狀態(tài)，I_D開(kāi)始限幅將電流限制在0.5 A以內(nèi)。

5 結(jié)論

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，這種充電器可以吸收由導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生的較大的浪涌電流，而且當(dāng)充電器出現(xiàn)故障引起短路、過(guò)流時(shí)，可以提示故障并快速自動(dòng)保護(hù)，有效地防止了火災(zāi)的發(fā)生。

    同時(shí)其整機(jī)的待機(jī)功耗約13 mW，幾乎不耗電，可以長(zhǎng)期接通電源使用，還可定時(shí)充電，滿足了人們的使用習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

尹靖雯，林靖虎，金永鎬

（延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉133002）