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關(guān)電源組成的，通過橋式整流,，經(jīng)過電解電容濾波后提供給開關(guān)電源控制芯片^[2],。控制芯片產(chǎn)生的高頻PWM脈沖通過高頻變壓器降壓,，再經(jīng)過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)充電器存在如下問題：

    (1)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作后，整流橋,、電解電容,、開關(guān)電源控制芯片老化引起故障，從而導(dǎo)致過流,、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)瞬間過壓的能力差,，一旦發(fā)生瞬間過壓容易產(chǎn)生元件損壞導(dǎo)致過流、短路引起火災(zāi),。

    鑒于上述問題提出防火節(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關(guān)，正常充電時(shí)電子開關(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、過流,，則快速自動(dòng)斷開,，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)過流,、短路電流超過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來實(shí)現(xiàn)的,。

    5 V/3.3 V端連接到U1的漏極開路輸出端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?？梢娬袷庮l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變換器得到電壓開始充電,。當(dāng)充電器發(fā)生過流,、短路時(shí)其脈沖電流超過設(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?？梢?，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開始限幅將電流限制在0.5 A以內(nèi),。

5 結(jié)論

    通過實(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。

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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）