多功能充电器设计

石家庄铁道大学四方学院课程设计

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多功能充电器原理论文

【摘要】

电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。目前，较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存发展。由于不同类型电池的充电特性不同，通常对不同类型，甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器，但这在实际使用中有诸多不便。本文介绍一种基于单片机的万能充电器的设计方法。该充电器可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制。它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以改变参数来适应各种不同电池的充电。系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放对电池造成损坏。

[关键词]：科技电子产品充电器多功能

目录

一、绪论.................................. 错误！未定义书签。

1.1 四海通充电器...................... 错误！未定义书签。

1.2 特点 (1)

二、工作原理 (4)

2.1 工作原理介绍 (4)

2.2 工作原理分析 (4)

2.2.1 振荡电路 (4)

2.2.2 充电电路 (5)

2.2.3 稳压保护电路 (7)

三、常见故障检修 (9)

四、电路分析 (15)

五、心得体会与注意事项 (15)

5.1心得体会 (15)

5.2注意事项 (15)

六、致谢 (15)

七、参考文献 (21)

一、绪论

1.1四海通充电器

随着数码相机、 MP 3和 CD碟机等电器逐步进入爱好者手中。充电电池的使用也更加普及。对充电器的要求也愈来愈高了。充电器应以实用方便为主，原则要求：可以对常用的 1 ～ 4节镍镉、镍氢和锂电池进行单独或同时充电。互不影响；可以选用多种电流进行充电。以满足不同种类、不同容量电池充电的需要。充电器应具有保护措施。防止过充电；为消除镍镉电池的记忆效应和恢复电池的容量。为了让更多用户在激烈的竞争中可以方便的充电本文将给大家介绍一款多功能充电器。

由于各型号手机所附带的充电器插口不同，以造成各手机充电器之间不能通用。当用户手机充电器损坏或丢失后，无法修复或购不到同型号充电器，使手机无法使用。万能充电器厂家看到这样的商机，就开发生产出手机万能充电器，该充电器由于其体积小、携带方便，操作简单，价格便宜，适合机型多，深受用户的欢迎。下面以深圳亚力通实业有限公司生产的四海通S538型万能充电器为例，介绍其工作原理和维修方法。

四海通S538型万能充电器在外观设计上比较独特，面板上采用透明塑料制作的半椭圆形夹子，透明塑料面板上固定有两个距离可调节的不锈钢簧片作为充电电极。面板的尾部并排有1个测试开关(极性转换开关)和4个状态指示灯，用户根据需要可以调节充电器电极距离和输出电压极性，并通过状态指示灯可方便看出电池的充电情况。

1.2.特点

该充电器具有镍镉、镍氢、锂离子电池充电转换开关，并具有放电功能。在150～250Ｖ、40ｍＡ的交流市电输入时，可输出300±50ｍＡ的直流电流。该充电器采用了RCC型开关电源，即振荡抑制型变换器，它与PWM型开关电源有一定的区别。PWM型开关电源由独立的取样误差放大器和直流放大器组成脉宽调制系统；而RCC型开关电源只是由稳压器组成电平开关，控制过程为振荡状态和抑制状态。由于PWM型开关电源中的开关管总是周期性的通断，系统控制只是改变每个周期的脉冲宽度，而RCC型开关电源的控制过程并非线性连续变化，它只有两个状态：当开关电源输出电压超过额定值时，脉冲控制器输出低电平，开关管截止；当开关电源输出电压低于额定值时，脉冲控制器输出高电平，开关管导通。当负载电流减小时，滤波电容放电时间延长，输出电压不会很快降低，开关管处于截止状态，直到输出电压降低到额定值以下，开关管才会再次导通。开关管的截止时间取决于负载电流的大小。开关管的导通／截止由电平开关从输出电压取样进行控制。因此这种电源也称非周期性开关电源。该充电器由于体积小\携带方便,操作简单,价格便宜,适合机种多。深受客户喜欢下面对四海通万能充介绍其工作原理和维修方法。如图1所示。

二、工作原理

2.1工作原理介绍

当输出端连接到手机时，电流同时经过LED和电池，设LED的正向导通电阻为r’电池的内电阻为r，根据电流的比例分配关系可知流经电池的电流为Uor/rr’，流经LED 的电流为Uor’/rr’，因为电池的内阻r远远小于LED正向导通的电阻r’，所以Uor/rr’＞＞Uor’/rr’导致电流绝大部分流过了电池，LED不发光。当输出端与手机断开时，前端电路与LED形成闭合的回路，全部的电流经过LED，LED发光。LED只有一个指示的作用，提醒人们充电时充电器与手机的连接情况。如果能把该手动式充电器整合到上述充电器中，就可以解决手机没电时的窘境。因为这是两个完全独立的电路，把这两者整合到一起，需要整合的只是两者的输出端，为了使这两个电路有序的工作，可以设置一个开关，以此来决定这两个电路的工作顺序，在有电源时，用电源充电，在野外工作时，就可以用手动装置给手机充电。方法是：当有用于充电的电源时，断开开关S，按照正常的充电方式给手机充电即可，而当不得不手动充电时，闭合开关S，再匀速转动M即可给手机充电。

（图1-1）

许多质量上乘的充电器在输入端有加入了隔离变压器，隔离变压器实质是初级线圈和次级线圈的匝数比为1:1的等比变压器，理论上输入的电压值和输出的电压值相等，无任何能量损耗，但是，由于实际上构成初级绕组和次级绕组的铜导线有电阻，另外初级的磁通量并不能完全转化成为次级的磁通量，所以运用1:1等比变压器是有能量损耗的，但是为了人身和设备的安全，很多正规的充电器加入了隔离变压器。若在维修时不小心接触到隔离变压器的次级，由于次级对地电压为0，所以相当于是人手握着一根与大地电势相等的导线站在地

上，所以根本不会出现触电的危险。

2.2工作原理分析

2.2.1 振荡电路

该电路主要由三极管VT2及开关变压器T1等组成。接通电源后，交流220V经二极管VD2半波整流，形成100V左右的直流电压。该电压经开关变压器T的卜1初级绕组加到了三极管VT2的c极，同时该电压经启动电阻R4为VT2的b极提供一个正向偏置电压，使VT2导通。此时，三极管VT2和开关变压器T1组成的间歇振荡电路开始工作，开关变压器T的1-1初级绕组中有电流通过由于正反馈作用，在变压器T的1-2绕组感应的电压通过反馈电阻R1和电容C1加到VT2的b极，使三极管VT2的b极导通电流加大，迅速进人饱和区。随着电容C1两端电压不断升高，VT1的b极电压逐渐降低，使三极管VT2逐渐退出饱和区，其集电极电流开始减少，变压器T的1-1初级绕组中产生的磁通量也开始减少。在变压器T的1-2绕组感应的负反馈电压，使VT2迅速截止，完成一个振荡周期。在VT2进入截止期间，变压器T的1-3绕组就感应出一个5．5V左右的交流电压，作为后级的充电电压。如图2。

图1-2

2.2.2 充电电路

该电路主要由一块软塑封集成块IC1(YLT539)和三极管VT3等组成。从变压器T的1-3绕组感应出的交流电压5．5V经二极管VD3整流、电容C3滤波后，输出一个直流8．5V 左右电压(空载时)，该电压一部分加到三极管VT3的e极；另一部分送到软塑封集成块IC1(YLT539)的1脚，为其提供工作电源。集成块IC1有了工作电源后开始启动工作，在其8脚输出低电平充电脉冲，使三极管VT3导通，直流8．5V电压开始向电池E充电。

电池E电压低于4．2V时，该电压经取样电阻R11、R12分压后，加到集成块IC1的6脚上，该电压低于集成块IC1内部参考电压越多，集成块IC1的8脚输出的电平越低，三极管VT3的b极电位也越低，其导通量越大，直流电压(8．5V)经极性转换开关S1向电池E 快速充电。由于集成块IC1的2、3、4脚和电容C4共同组成振荡谐振电路，其2脚输出的振荡脉冲经电阻R16送至充电指示灯LED1(绿)的正极，其负极接到集成块IC1的8脚。在电池刚接人电路时，集成块IC1的8脚输出的电平越低，充电指示灯LED1闪烁发光强。随着充电时间延长，电池所充的电压慢慢升高，集成块IC1的8脚输出电压慢慢升高，充电指示灯LED1闪烁发光逐渐变弱。

当电池E慢慢充到4．2V左右时，集成块IC1的6脚电位也达到其内部的参考电压1．8V。此时，集成块IC1内部电路动作，使其8脚电压输出高电平，三极管VT3截止，充电指示灯LED1不再闪烁发光而熄灭，充满指示灯LED2(绿)由灭变亮。

2.2.3 稳压保护电路

该电路主要由三极管VT1、稳压二极管VDZ1等组成。

（1）过压保护：当输出电压升高时，在变压器T的1-2反馈绕组端感应的电压就会升高，则电容C2所充电压升高。当电容C2两端电压超过稳压二极管VDZ1的稳压值时，稳压二极管VDZ1击穿导通，三极管VT2的基极电压拉低，使其导通时间缩短或迅速截止，经开关变压器T1耦合后，使次级输出电压降低。反之，使输出电压升高，从而确保输出电压稳定。

(2)过流保护：在接通电源瞬间或当某种原因使三极管VT2的电流过大时，在R5、R6上的压降就大，使过流保护管VT1导通，VT2截止，从而有效防止开关管VT1因冲击电流过大而损坏。同时电阻R6上的压降，使电容C2两端电压升高，此后过流保护过程与稳压原理相同，这里不再重复。三极管VT1是过流保护管，R5、R6是VT2的过流取样保护电阻。

图1-3

三、常见故障检修

例1：接上待充电池及电源后，电源PW指示灯LED3及测试指示灯TESTLED4亮，而充电LED1及充满指示灯LED2不亮，无电压输出，不能给电池充电。

分析检修：这种故障多是充电器开关振荡电路没有工作所致。在实际检修过程中，发现开关管VT2和电阻R6损坏最多。一般情况下，电池E的充电电路工作电压较低，其元件损坏的概率不是很大，也就是开关变压器T1的次级之后电路的损坏概率不是很大。

例2：接上待充电池及电源后，各状态指示灯显示正常，但就是充不进电或充电时间长。

分析检修：这种故障多是三极管VT3(8550)损坏，用正常管子换上后，即可排除故障。如果三极管VT3正常，再用表测电容C3(100μF／16V)两端电压，正常在直流8．5V左右。若电压正常，应检查电阻R7或集成块IC1，集成块IC1各引脚正常参数如附表所示。若电压低，再测开关变压器T1次级输出电压，正常在交流5．5V左右。若电压正常，说明电容C3或整流二极管VD3损坏；若电压低，应检查开关变压器T1及其前级各元件。

图4

四、电路分析

220V 50Hz的交流市电，一端经过一个半波整流器（二极管），半波整流器是利用二极管的单向导电性制作而成的，如下图所示，当220V 50Hz的交流电第一个正脉冲到来时，二极管导通，第二个负脉冲到来时，二极管截止，负脉冲无法通过。因为这种整流方法，只能取出交流电能的正脉冲，形成曲线方程为Y=︱sinX︱且(π+2kπ)≤X≤(2π+2kπ)的波形所以，我们称这种整流方式为半波整流。经过半波整流后，交流电能转换成直流电能，另一输入端经过一个10Ω的电阻，这个10Ω的电阻用来保护电路，如果后面出现故障导致过流，那么这个电阻会因电流过大产生大量热而被烧断，使原来的电路不能形成回路，从而避免引起更大的故障。IN4007半波整流器、10Ω电阻和后面的一个有极性的10uF电容，构成一个滤波回路，当交流电通过时，其中的复杂成分被滤除掉，剩下标准220V 50Hz的交流电，这不仅减轻了后面电路的负担，同时使输入的电流更加稳定。4700pF（4.7uF）电容、82kΩ电阻和一个二极管IN4007构成一个尖峰吸收回路（高压吸收回路），当开关管13003关断开的瞬间，因为变压器初级铜导线的匝数较多，故在变压器的初级线圈上会产生足够高的感应电压，而尖峰吸收回路的作用就是负责吸初级收线圈上产生的感应电压，当感应电动势到来时，顺着二极管IN4007通过81KΩ电阻，多余的能量在该电阻上消耗，从而防止高压加到开关管上而导致开关管击穿。

开关管耐压值为400V，集电极最大电流1.5A（1500mA），集电极最大功耗为14W，用来控制初级绕组与电源之间的通、断。当初级绕组不停的通断时，就会在开关变压器中的初级绕组中形成变化的磁场，由于初级线圈和次级线圈是一个闭合的磁通路，从而在次级绕组中产生感应电压。从这个电路的结构可以推测出来，这个电源是反激式的。左端的510KΩ为启动电阻，给开关管提供启动用的基极电流。三极管13003下方的10Ω电阻为电流取样电阻，电流经取样后变成电压信号（实质为U=IR），这电压经二极管4148单向限流后，加至三极管Q945的基极上。当取样电压大约大于1.4V，即开关管电流大于0.14A(140mA)时，三极管Q945导通，从而将开关管13003的基极电位拉低，从而集电极电流减小，这样就限制了开关的电流，防止电流过大而烧毁Q945(实际上这是一个恒流结构，将开关管的最大电流限制在140mA左右)。变压器左下方的绕组(取样绕组)的感应电压经整流二极管4148整流，22uF电容滤波后形成取样电压。为了分析方便，我们取三极管Q945发射极一端为地。那么这取样电压就是负的4V(-4V左右)，并且输出电压越高时，采样电压越负。取样电压经过6.2V稳压二极管后，加至开关管13003

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（图2-1-1） 的基极。前面说了，当输出电压越高时，那么取样电压就越负，当负到一定程度后，6.2V 稳压二极管被击穿，从而将开关13003的基极电位拉低，这会导致开关管断开，或者在允许的时间内推迟开关管的导通，从而控制了能量输入到变压器中，也就控制了输出电压的升高，实现了稳压输出的功能。

经二极管RF93整流，220uF 电容滤波后输出6V 的电压。因为开关电源的工作频率较高，所以需要工作频率很高的二极管。这里可以用常见的1N5816、1N5817等肖特基二极管代替。同样因为频率高的原因，变压器也必须使用高频开关变压器，铁心一般为高频铁氧体磁芯，具有很高的电阻率，以减小涡流。如果需要能输出不同电压的适用性更强的充电器，就需要把变压器T2，改成抽头式变压器，如果需要充电器可以输出不同数值的电压，只需拨动转换开关到需要的电压档位即可。以上分析的是经常见到并使用的充电器原理和原理图，但是我们不应该把思维禁锢在这种固定的充电器模式中。

五、心得体会与注意事项

5.1心得体会

本次论文通过实际应用的要求，阐述了万能充的功能以及工作原理，明白了应多向老师请教不懂得问题，这次设计也巩固了专业知识，为后面的挑战增强了信心。

5.2注意事项

1. 如果是为镍镉、镍氢电池充电，由于这类电池存在一定的记忆效应，需不定时对其进行放电。ＳＷ１是镍镉、镍氢、锂离子电池充电转换开关。ＳＷ１与精密基准电源ＳＬ４３１为运放ＬＭ３２４⑨提供两个不同的精密基准源，由ＳＷ１切换。在给镍镉、镍氢电池充电时，ＬＭ３２４⑨脚的基准电压约０．０９Ｖ（空载）；在给锂离子电池充电时，ＬＭ３２４⑨脚的基准电压约为０．０８Ｖ（空载），这种设计是由这两种类型电池特有的化学特性决定的。按下ＳＷ２，Ｖ５基极瞬间得一低电平而导通，可充电池上的残余电压通过Ｖ５的ｅｃ极在Ｒ１７上放电，同时放电指示灯ＶＤ１４点亮。在按下ＳＷ２后会随即释放，这时可充电池上的残余电压通过Ｒ１６、Ｒ１３分压，Ｃ９滤波后为Ｖ４的基极提供一个高电平，Ｖ４导通，这相当于短接ＳＷ２。随着放电时间的延长，可充电池上的残余电压也越来越低，当Ｖ４基极上的电压不能维持其继续导通时，Ｖ４截止，放电终止，充电器随即转入充电状态。

2. 由于锂电不存在记忆效应，当电池低于３Ｖ时便不能开机，其残余电压经电阻Ｒ４０、Ｒ４１分压后得到２．５３Ｖ送入运算放大器的同相端③、⑤、⑩脚，由于ＬＭ３２４⑨脚电压在负载下始终为２．６６Ｖ，因此⑧脚输出低电平，Ｖ３导通，＋９Ｖ电压通过Ｖ３ｅｃ极、ＶＤ８向可充电池充电。ＩＣ１ｄ在电容Ｃ６的作用下，{14}脚输出的是脉冲信号，由于ＩＣ１⑧脚为低电平，因此ＶＤ１２处于闪烁状态，以指示电池正在充电，对应容量为２０％。随着充电时间的延长，可充电池上的电压逐渐上升。当Ｒ４０、Ｒ４１的分压值约等于２．５８Ｖ时，即ＩＣ１③脚等于２．５８Ｖ时，ＩＣ１②脚经电阻分压后得２．５７Ｖ，其①脚输出高电平（由于在充电时，ＩＣ１⑨脚电压始终是２．６６Ｖ，Ｖ６导通；反之在空载时，ＩＣ１⑨脚为０．０８Ｖ，Ｖ６截止），ＶＤ１０、ＶＤ１１点亮，对应指示容量为４０％、６０％。当Ｒ４０、Ｒ４１的分压值上升到２．６３Ｖ时，即ＩＣ１⑤脚等于２．６３Ｖ，其⑥脚经电阻分压后得２．６３Ｖ，⑦脚输出高电平，ＶＤ９点亮，对应充电容量为８０％。只有ＩＣ１⑩脚电压≥２．６６Ｖ时，⑧脚才输出高电平，ＶＤ１３点亮，对应充电容量为１００％。即使ＶＤ１３点亮时，ＶＤ１２仍处于闪烁状态，这表示电池仍未达到完全饱和。只有ＩＣ１⑧脚电压＞６．５Ｖ时，ＶＤ１２才逐渐熄灭，表示电池完全充至饱和。

ＶＤ１６在电路中起过充、过流保护作用，ＶＤ８起反向保护作用，避免充电器断电后，电池反向放电。

六、致谢

在做毕业设计过程中老师对我十分的关心，在我有疑问时总是耐心的给我讲解，让我从开始的对毕业设计模模糊糊到思路的逐渐清晰，从对原理的一知半解到把原理完全搞懂。在这期间老师给了我很大的支持，给了我很大的帮助，正是老师的支持和帮助我的毕业设计才得以顺利的完成。在这里我对老师表示衷心的感谢。祝老师在以后的生活和工作过程中一帆风顺万事如意。

七、参考文献

[1].中国电子开发网作者：张扬

[2].电子技术网. 作者:电子资料网

[3].数字电子技术基础. 主编:周良权方向桥高等教育出版社

[4].数字电子技术主编：成立机械工业出版社

[5].电子技术基础主编：陈振源高等教育出版社

[7].百度文科百度网