0 引言

    隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展,，手機已成為人們生活中必不可少的一部分,，而手機充電器作為手機最為重要的配件^[1],，卻頻頻引發(fā)電能浪費及火災(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,。

    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電池充電^[3],。

    現(xiàn)有的手機充電器存在如下問題：

    (1)經(jīng)過長時間工作后,，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更為嚴重,；

    (2)每次接通電源時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,，長期處于待機工作狀態(tài)消耗電量,，造成電能浪費；

    (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)能型手機充電器,，這種充電器利用由場效應(yīng)管和低功耗單片機組成微功耗智能型電子開關(guān),，正常充電時電子開關(guān)飽和導(dǎo)通進行充電，當充電結(jié)束時自動斷開充電器進入待機狀態(tài)，其待機功耗約13 mW,，幾乎不耗電,，可長期接通電源。一旦充電器故障引起短路,、過流,，則快速自動斷開，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]，因濾波時使用容量大的電容,，因此每次接通電源時產(chǎn)生的浪涌電流會沖擊整流橋和濾波電容從而加速老化,。

    圖1為對三星、華為,、通用手機充電器的實測浪涌電流波形,，可見三星充電器的浪涌電流較小約2 A，維持時間約1 ms,；通用手機充電器的浪涌電流較大約3.4 A,，維持時間約0.2 ms；華為充電器的浪涌電流約2.4 A，維持時間約30 μs,。

    以上三種手機充電器中,，華為的充電功率最大,，正常充電時工作電流最大,，為了對比浪涌電流和正常充電時的工作電流，實測了華為充電器在220 V狀態(tài)下正常充電時的工作電流波形,，如圖2所示。

    可見充電時的工作電流約0.22 A,，遠遠小于接通時產(chǎn)生的很大的浪涌電流，說明接通時電流較大但正常工作時電流較小,。

2 防火節(jié)能型手機充電器的整體框圖和功能

    圖3為防火節(jié)能型手機充電器的整體框圖，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,，為了降低待機功耗，待機狀態(tài)下使用3.3 V,，正常充電時使用5 V,，由單片機來控制。

    為了便于操作,，用一個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,，此時定時時間為1小時,；再按一下S1 0.3~0.5 s黃色LED亮，定時時間為3小時,，一旦定時時間到將自動斷電,。若想手動關(guān)閉電源，按住S1 1~3 s后LED燈滅,，此時進入待機狀態(tài),。若紅色LED燈亮，說明此時發(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)能型手機充電器

3.1 快速限流電路設(shè)計

    控制電路如圖5所示,，以華為手機充電器為例，其正常充電時工作電流約0.2 A,，若設(shè)定過流保護點為0.5 A,，則能滿足所有充電器的要求。當出現(xiàn)過流,、短路電流超過0.5 A時,，由Q2組成的硬件電路進行快速限流，再經(jīng)過單片機分析后停止充電，此時紅色LED閃亮表示故障,。

    由Q2,、Q3、R₄,、R₅,、R₆及單片機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遠遠大于R₄，因此R₅,、R₆對R₄影響忽略不計,。

    可見當限流電流約為0.5 A時R₄=3.3 Ω、U_GS≈3.3 V,。當充電器正常工作時只需約0.2 A的電流,，此時場效應(yīng)管工作在B點，U_GS≈4.3 V,，此時Q2可提供的電流遠大于1 A,，因此Q2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

    當電路處于限流時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為過流保護點,，R₄=3.3 Ω,，因此選取標稱值R₅=1 kΩ，R₆=2.2 kΩ,。

3.2 超低功耗待機電源設(shè)計

    充電器處于待機狀態(tài)時,，為了實現(xiàn)超待機功耗的目的，設(shè)計超低功耗串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源,，平時只提供小于50 μA的電流,，當LED工作時提供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的脈動電壓,，此電壓經(jīng)過Q1驅(qū)動后在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U1的PB0引腳的場效應(yīng)管導(dǎo)通,，將短路R₈,，因此HT1033輸出為3.3 V。當PB0引腳的場效應(yīng)管漏極開路時,，R₇,、R₈對輸出電壓分壓后提供給HT1033的1腳,，此時輸出電壓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，因此選取標稱值R₈=150 kΩ,，得U_x=5.1 V,。

3.3 超低功耗控制器的設(shè)計

    MK7A23和MK6A12都是一種性能價格比很高的單片機,，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時其工作電流為290 μA,，而工作電壓切換至3.3 V時其電流僅為4.3 μA,，大大減少了待機功耗。

    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。充電時按一下S1則U1開始定時,，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。當充電器發(fā)生過流,、短路時其脈沖電流超過設(shè)定值0.5 A,，經(jīng)由Q2組成的硬件電路進行快速限流，PB1為低電平經(jīng)過U1檢測后將PB0變成低電平關(guān)閉Q2,。

3.4 待機功耗計算

    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,，實現(xiàn)了待機功耗小于20 mW的目的。

4 實驗結(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U_DS,、I_D、U_R4的實測工作波形。

    當I_D=0.3 A時,，U_DS≈0.8 V,；當I_D=0.4 A時，U_DS≈1.2 V,；當I_D＞0.5 A時，U_DS≈26 V,，U_R4≈2 V,。可見,，當I_D<0.5 A時,，Q2幾乎進入飽和狀態(tài)；當I_D>0.5 A時,，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

    通過實驗證明,，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，而且當充電器出現(xiàn)故障引起短路,、過流時,，可以提示故障并快速自動保護，有效地防止了火災(zāi)的發(fā)生,。

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

參考文獻

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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）