手机充电器设计【毕业作品】
BI YE SHE JI
(201 届)
手机充电器设计
Design of phone charger
所在学院电子信息学院
专业班级电气工程及其自动化
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月日
摘要
随着社会的发展，手机越来越成为生活中不可缺少的一部分。如果手机不能使用将对人们造成巨大影响。所以充电器对于手机来说是不可缺少的组成部分。手机充电器随着当今科技的飞速发展，形式也是多种多样，市场上手机充电器的种类繁多，但是也有很多质量不合格的。传统的手机充电器在设计和电路上都有所缺陷。这些缺陷和质量问题将影响到手机的正常使用和充电寿命，严重时还会对消费者产生危害。现今的充电器越来越人性化和简小化。
这次设计的充电器是一款安全，简单，便捷的充电器，主要要求在充电时保持恒流，恒压，断电保护，充电保护等多方面功能。输入220V交流电压，在输出端稳定输出0.8A，5V直流电压。这次设计在电路原理上采用了反激电路，对电流电压都有着检测以达到反馈，调整的作用。本充电器还具有短路保护功能；以恒压充电方式进入维护充电模式；充分考虑参照了各种设计方案，在设计上有针对的对应市场需求，在功能上进行了调整，以满足用户的要求。功能适用，价格低廉，结构简单。
关键词：充电保护；反激电路；短路保护；充电器
Abstract
With the social development, mobile phone has increasingly become an indispensable part of life. If the phone can not use will be people a tremendous impact on . Charger for mobile phones is an integral part . Mobile phone charger with the rapid development of science and technology, the form is varied, the market of mobile phone chargers variety, but there are also many unqualified. The traditional mobile phone charger design and circuit are defects. These defects and quality issues will affect the normal use of the mobile phone and charging life, serious when can cause harm to the consumer. Today's chargers and more humane and simple small .
The design of the charger is a safe, simple and convenient charger, the main requirement to maintain constant current charging, constant voltage, power protection, charging protection and many other features .Input 220V AC voltage at the output stable output 0.8A, 5V DC voltage. The design of the circuit adopts flyback circuit, the current and voltage are detected to feedback, adjustment function. The charger also has the short circuit protection function; with constant voltage charging mode into the maintenance; Considered with reference to the various design options for the corresponding market demand, design functions were adjusted to meet user requirements. The feature is available, low cost, simple structure.
Key Words: Charging protection; Flyback circuit; Short circuit protection; Charger
目录
1 引言 (1)
2 手机充电器简介 (2)
2.1手机充电器简史 (2)
2.2手机充电器的类型 (3)
2.3手机充电器的基本组成 (3)
2.4恒流充电法 (4)
2.5恒压充电法 (4)
2.6阶段充电法 (4)
3 硬件设计 (5)
3.1整流电路 (5)
3.2TNY264芯片的作用及其功能介绍 (5)
3.3T INY S WITCH -Ⅱ功能描述 (6)
3.4T INY S WITCH -Ⅱ的工作原理 (8)
3.5T INY S WITCH -Ⅱ的应用注意点 (9)
3.6T INY S WITCH -Ⅱ的保护功能 (11)
3.7 FLYBACK电路 (12)
3.71FLYBACK变压器设计 (13)
4 结论 (15)
参考文献 (17)
附录1 电路原理图 (18)
附录2 电路封装图 (19)
附录3 毕业设计说明书 (20)
1 引言
随着当代社会手机越来越普遍，我们也越来越习惯手机随身的生活方式。那么对我们而言，在任何情况下都可以方便畅通的使用手机是我们一直想要的。但是我们知道，手机电池是有一定的使用时限的，用完了就必须充电之后才能再次被使用，这个时候问题出现了：对所有人而言，使用手机的环境都不可能永远方便，那么在遇到环境限制无法正常充电，而手机本身配备的备用电池也无法提供足够时间的使用需要的时候，我们怎么才能让手机持续为我们提供服务呢！
现实迫切的需要我们设计出一款性能各方面都优良的充电器，在专业的角度优良分为几个:能满载连续工作，耐压强度强，具有短路保护及过压保护，具有较强的环境适应能力。
传统的充电器已经逐渐满足不了现实生活的需求，当今社会需求的手机充电器要求是简便，功能完善，能持续工作，便于携带，使用简单方便。
基于当今社会的要求我们设计了一款简单的便捷的手机充电器：要求是输入220V交流电压在输出端稳定输出5V直流电压，电流在0.5毫安。具有过压保护及短路保护，具有充电指示及其他功能。电路结构简单，体积小，能持续满载工作。
随着各种新型的充电电路的出现新的充电器也将问世，未来的充电器也将变得也来越简单在电路设计方面，在功能上会变得越来越完善，越来月人性化，越来月适应当今社会人们的需求。未来的充电器也必将朝着节能，安全，适应这几个方面发展。
2 手机充电器简介
2.1 手机充电器简史
1937年，库伯申请了一项名为“无线电通话系统”的专利。这个就是最早的电话，随之以后出现了手机。随着手机的出现，手机充电器也就应运而生。手机充电器也随着手机的发展越变越完善。最初的充电器搭配是两个，既传统的“两电两充”，其中一个是与手机插接的直冲，另一个是装入电池的座冲。由于手机品种繁多，充电接口和电池大小不一，就导致了充电器也各不相同，随之就产生了万能冲。这种充电器的质量非常低劣，容易使电池报废，充电时电池发生爆炸的现象也时有发生。
2007年6月14我国开始了针对手机充电器的质量问题和资源浪费问题统一了标准，对手机充电器执行统一的接口标准。虽然接口统一了，但是由于手机的数据接口各不相同，也就随之出现了林林总总的转换接头。欧洲于2009年制订了新的充电器标准，新标准统一了充电器输出的USB接口和手机输入接口，使得市场上不会再有这些林林种种的转换接头了。
手机充电器的好坏取决于充电电路，随着社会科技的发展，现在的充电器已经运用了集成电路即IC控制电路，运用此电路的好处有很多例如：电池的极性可自动转换，在允许的范围内，接上即可开始充电；具有恒流恒压功能，保证电池安全的充电；具有过压，过流及短路保护；
根据充电方式的不同充电器经历了三个发展阶段：
1）限流限压式充电器
最原始的充电方式是限压式充电，后来过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，它的寿命用时间衡量，没有次数，比如10年。这种充电模式的效果较差。
2）恒流/限压式充电器
这是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。首先，以恒定电流充电到预定的某个电压值，然后，改为恒定电压完成剩余的充电过程。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。[这种充电器
充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的使用寿命。
3）自适应智能充电器
随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电器。自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充电和放电。并且还具有温度补偿功能。充电系统由特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电器可适应对不同种类电池的充电，充电器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。
随着科技的不断发展未来的手机充电器将会越来越简单化，安全化，节能化。
2.2 手机充电器的类型
最初手机充电器是跟着手机一起的，最初的有直冲和座充两种充电器。直冲输出的电压是5V，座充输出的电压是4.2V。由于充电接口和电池型号的不同，一旦手机充电器坏了之后就很难配到一样的充电器所以为了解决这个问题，万能充就出现了。万能电器是通过调整输出电源触点，用夹钳夹住电池已达到给不同大小的手机电池充电的目的的，该充电器也有几个缺点，每次充电都要调整触点，而且对位比较困难，触点与电池接触容易松动脱落。而且容易发生电池爆炸。
为了解决资源问题和质量问题，手机充电器进行了规格的统一。于是就出现了USB类型的充电器，这种充电器给手机充电的时候是用一根带有USB2.0的数据线和手机连接进行充电。由于数据接口不同，所以数据线也不同，后来欧洲在2009年又统一了数据接线输出接口和手机输入接口。所以我们现在的手机充电器大部分是相同的。
未来的手机充电器可能会是往节能，简便，多功能方向发展。类似太阳能充电器、小巧简便的充电器将会诞生。越来越电路集成化，简单化，节能话将是未来手机充电器的目标。
2.3 手机充电器的基本组成
手机充电器主要由两大部分组成外部结构和内部结构。外部结构主要是由塑
料外壳组成，内部主要是电路集成。主要说说内部的电路结构，手机充电器的电路主要由振荡电路、充电电路、稳压保护电路等组成。振荡电路主要由三极管和开关变压器组成。充电电路主要由一块软塑封集成块IC1和三极管等组成。稳压电路主要由三极管和稳压二极管组成，主要是进行过压和过流保护。
2.4 恒流充电法
恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。
2.5 恒压充电法
充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值不变，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电。由于充电初期蓄电池电动势较低充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简单的控制系统。
这种充电方法电解水很少，避免了对蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。由于这种缺点，恒压充电方式被很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。
2.6 阶段充电法
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先，以恒定电流充电到预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转变到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。
3 硬件设计
本系统硬件主要有三大模块组成：整流电路、TNY264芯片、反激电路和反馈电路组成。
3.1 整流电路
图3-1单相桥式不可控电路
桥式整流电路如图3-1所示。它是由变压器、四只二极管和负载电阻组成。四只整流二极管可连接成桥式结构，故称为桥式整流。
桥式整流电路工作原理，当输入电压在正半周时，D2,D4导通，电流从电源流经D2,D4,给电容充电。当输入电压在负半周时，D1,D3导通，电流从电源流经D1,D3,给电容供电。
3.2 TNY264芯片的作用及其功能介绍
运用TNY264芯片在这个电路设计中可以节省很多其他电路，如频率抖动降低电磁干扰，输出短路和控制环路开路保护等。它的这些新特点和高度集成化，降低了开关电源设计难度，减少了元器件数量，提高了可靠性，特别适用于手机充电器的应用。TinyII的工作方式为ON/OFF工作方式。当EN脚为低电平时，芯片内MOS管停止操作;当EN脚为高电平时，芯片根据负载情况以最大132KHz 频率工作，输出电压通过光耦反馈至芯片，改变EN脚的电平状态，从而改变内部MOS管的工作状态, 使输出电压保持稳定。
图3-2 TNY264芯片引脚
TNY264各引脚介绍如图3-2
1）漏极(D)引脚：功率MOSFET的漏极连接点。提供内部启动和稳定的运行状态。
2）旁路(BP)引脚：连接点的0.1μF，外部旁路电容内部产生5.8 V的电压供应。
3）启用/欠压(EN/UV)引脚：此引脚具有双重功能：使能输入和线路电压不足感应功能。在正常操作，开关电源MOSFET是控制该引脚的导通。 MOSFET的切换时终止电流大于240μA接通该引脚。该引脚也感觉到线路欠压条件通过一个外部电阻连接到DC线电压。如果没有外部电阻连接到该管脚，TinySwitch -Ⅱ它的缺失和禁用检测线主管电压的函数。
4）P 包装 (DIP-8B)
5）G 包装 (SMD-8B)
6）来源(S)引脚：共同控制电路，内部连接到输出MOSFET的源。
7）来源(HV RTN)引脚：输出MOSFET高压返回源的连接。
3.3 TinySwitch -Ⅱ功能描述
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图3-3 TinySwitch -Ⅱ的结构原理
TinySwitch -Ⅱ结合了高电压功率MOSFET开关同在一个设备的电源控制器。如图3-3，不同于传统的PWM（脉宽调制）控制器，TinySwitch -Ⅱ使用一个简单的开/关控制来调节输出电压。该TinySwitch -Ⅱ控制器包括一个振荡器，使能电路（理性与逻辑），电流限制状态机，5.8 V稳压器，旁路引脚欠压电路，过温度保护，电流限制电路，前沿消隐和700 V功率MOSFET。TinySwitch -Ⅱ集成了输入欠压检测，自动重新启动，频率抖动电路。振荡器典型的振荡器频率在内部设置为平均132千赫。两个信号产生于振荡器：最大占空比信号(DCMAX)和时钟信号显示每个周期的开始。该TinySwitch -Ⅱ振荡器电路可引入了少量的频率抖动，通常为8千赫peak-to-peak,为了减少EMI排放。调制率抖动的频率设置为1千赫优化EMI减少了平均和准峰值排放。频率抖动应测量在示波器触发漏极波形的下降沿边缘。TinySwitch - II的使能输入和电流限制状态机在EN/UV 引脚使能输入电路由一个低阻抗源极和跟随器输出设置组成。当该引脚输出电流超过240μA,一个低逻辑电平（禁用）是产生于使能电路的输出。这使电路的输出是在每个采样周期的开始就在时钟信号的上升沿。功率MOSFET被该周期（启用）如果低，功率MOSFET保持关闭（禁用）。由于采样完成只有在每个周期的开始，
在随后的变化EN/UV引脚电压或电流，在余下的周期被忽略。当前极限状态机降低电流限制在轻负载时，离散量TinySwitch -Ⅱ很可能开关在可听频率范围。较低的电流限制提高有效开关频率高于音频范围并减少包括变压器焊剂密度相关噪音。状态机监视序列EN/UV引脚电压水平，以确定负载条件下调节电流限制水平相应的离散量。在大多数的运行条件（除非当接近无负载），源跟随保持低阻抗在EN/UV脚，电压持续低于1.0 V的停用状态.这提高了光耦响应时间，这通常是连接到该管脚。5.8 V调节剂和6.3 V分流电压钳位:该5.8 V监管的旁路电容连接到旁路引脚5.8 V通过绘制从电压电流对漏极引脚。当MOSFET关断，该旁路引脚是内部供电电压波节TinySwitch - II。当MOSFET开启时，TinySwitch -Ⅱ总部在旁路电容中储存的能量开始释放。极低功耗的内部电路允许TinySwitch -Ⅱ连续工作，从当前的IT即从漏极引脚开始。一个旁路电容值0.1μF 为实现高频率的去耦及能量充足存储。此外，还有一个6.3 V 箝位分流稳压器绕道6.3 V引脚电流时提供给旁路别针一个外部电阻。这有利于供电的TinySwitch -Ⅱ外部通过偏置绕组降低空载消耗约50 mW。旁路引脚欠压:旁路引脚欠压电路的电源关闭当MOSFET的旁路引脚电压降至低于4.8 V。一旦旁路引脚电压降至低于4.8 V,它必须上升回到5.8 V启用（开启）功率MOSFET。
3.4 TinySwitch -Ⅱ的工作原理
TinySwitch -Ⅱ器件工作在电流限制模式。当启用后，在打开振荡器的功率MOSFET从每个周期的开始。在MOSFET关闭时上涨到目前的限制，或当电流以DCMAX限制达成协议。作为最高电流限制级别和频率TinySwitch -Ⅱ设计是不变的，交付的权力负载成正比的电感变压器初级和峰值电流的平方。因此，设计的供应涉及计算电感变压器初级最大输出功率要求。如果TinySwitch -Ⅱ是选择适当的功率水平，在当前计算电感会斜坡符合现行的限制之前，DCMAX达到极限。启用功能：TinySwitch -Ⅱ感应EN/UV针，以确定是否不进行下一个开关周期如前面所述。周期序列用于确定当前的限制。一旦一个周期启动时，它总是完成周期（即使当引脚状态发生改变的EN/UV通过循环一半）。在电力供应此操作的结果，其输出电压纹波由输出电容，数量能源占开关周期和反馈的延迟决定。该EN/UV引脚信号是由上产生次级比较参考电源输出电压。该EN/UV引脚信号为高
电平时，电源供应器输出电压低于参考电压少。在一个典型的实现，EN/UV针是由一光耦组成。该光耦晶体管的集电极isconnected的EN/UV和发射极引脚连接到源极引脚。光耦LED是串联连接与对面的DC输出电压稳压二极管来加以规范。当输出电压超过调节电压的目标水平（光耦LED电压降加齐纳电压），光耦LED 将开始进行，拉动EN/UV针低。齐纳二极管可以代替一TL431参考电路，以提高准确性。开/关操作与电流限制状态机:内部时钟TinySwitch -Ⅱruns所有的时间。在开始时，每个时钟周期，进行采样EN/UV引脚决定是否执行一个开关周期，并根据关于样品在多个周期序列，它决定适当的电流限制。在高负荷时EN/UV 引脚为高（比240少μA出脚），一个开关周期与全电流限制发生。在轻负载时，EN/UV高，具有减少电流限制开关周期发生。在接近最大负荷，TinySwitch -Ⅱ期间将进行几乎所有的时钟周期稍为低负荷，它会“跳过”额外的周期，以保持电压规例在电源输出荷载，周期将被跳过，电流限制将在极轻负荷时减少。目前的限制将进一步降低。只有一小部分的周期将出现，满足了电源功耗供应。响应的时间TinySwitch -Ⅱ开/关控制方案是非常快的比较正常PWM控制。这提供严密监管和出色的瞬态响应。上电/下:该TinySwitch -Ⅱ只需要一个0.1μF电容。由于其体积小，充电时间一定要使电容电压保持在绝对最低，通常充电时间为0.6 ms。开/关反馈快的性质，当一个外部电阻(2 M?)是DC连接输入到EN/UV引脚，电源MOSFET开关将被延迟电时直到DC线电压超过阈值(100 V)。TinySwitch -Ⅱ在有和没有外部电阻(2 M?)应用连接到EN/UV引脚时。在掉电模式下，当一个外部电阻器被使用时，功率MOSFET将使开关在50 ms后失去输出监管。功率MOSFET将保持关闭，不受欠压功能禁止任何故障重新启动当线路电压低控制。
3.5 TinySwitch -Ⅱ的应用注意点
可控噪音：该TinySwitch -Ⅱ几乎可以消除任何音频，因为变压器使用简单的普通光油噪音变压器结构。没有粘合的核心是必要的。音频降噪完成了TinySwitch -Ⅱ控制器减少在离散的步骤，作为负载电流限制减少。这最大程度地减少变压器的焊剂密度切换时产生的音频频率。
最坏的情况下EMI及效率测量：由于相同TinySwitch -Ⅱ供应可能在几个操作在相同的负载和线路条件下不同的频率，必须小心，以确保测量是根据最坏
的情况下进行。当测量效率或EMI验证TinySwitch -Ⅱ运转在最大频率而测量是在低和高线输入电压时，以保证最坏的情况下获得的测量结果。
布局单点接地：使用单点地源极引脚连接旁路引脚电容及输入滤波电容。
初级钳位电路：钳是用来限制峰值对漏极引脚在开启电压关闭时的影响。这可以通过使用一个RCD钳。齐纳二极管钳位(200 V)和跨越初级或单个550V齐纳钳位从漏极到源极也可使用。在任何情况下，应注意尽量减少从钳位元件到变压器电路路径的过度。
散热考虑：铜下方TinySwitch -Ⅱacts不仅作为一个单一的接地，也可作为一个散热器。显示出最大限度地良好的散热，TinySwitch -Ⅱ同样适用于输出二极管。
EN/UV脚：一个输入欠压检测电阻器的电阻，然后应安装尽可能靠近引脚EN/UV，减少噪音回升。一个电阻器的电压额定值应考虑欠压检测电阻。对于1/4W 电阻，电压额定值通常200V连续的，而对于1/2W电阻的额定值通常400V连续的。
Y电容：Y电容的位置应该是直接从初级大容量电容器的共同积极轨/返回码头上的次级一边。这种安排将最大限度地Y电容EMI效益和避免的问题共模浪涌测试。
光耦：重要的是要保持从最小电路路径光耦晶体管的TinySwitch -ⅡEN/UV 和为了降低噪声源pins耦合。该EN/UV针连接应保持光耦合器到绝对最低限度，并（除12.7 mm或0.5英寸以下）这方面应该远离漏极引脚（最小5.1 mm或0.2英寸）。
输出二极管：为了获得最佳性能，连接的环路面积次级绕组，输出二极管和输出滤波器电容，应尽量减少。此外，铜的面积应足够提供在二极管的阳极和阴极足够的终端散热。
输入和输出滤波电容器：有连接到输入的痕迹收缩和输出滤波电容器。这些收缩存在两个原因。第一是要迫使所有的高频电流，流过电容（如果跟踪得大大的，然后它可以周围的电容流）。其次，收缩减少从转热TinySwitch -Ⅱ到输入滤波器从次级电容和二极管的输出滤波器电容。共同/返回，终端过滤器的输出电容与一个短，低阻抗路径次级绕组。此外，普通/返回输出连接应采取直接从次级绕组引脚，而不是从Y电容的连接点。
3.6 TinySwitch -Ⅱ的保护功能
过温保护：热关断电路检测电路温度。该阈值通常设置在135°C与70°C 滞后。当超过这个阈值电路温度上升的力量，MOSFET是不工作的，直到电路温度低于70°C,在这一点上是重新启用。迟滞70°C（典型）提供，以防止过热的PC板发生连续故障。电流限制：电流限制电路检测功率MOSFET的电流。当电流超过内部阈值(ILIMIT),功率MOSFET关闭了该周期的剩余部分。目前的极限状态机的门槛降低了电流限制在轻载荷下离散数额。前沿消隐电路抑制电流限制很短的时间，比较(tLEB)后的功率MOSFET开启。这一领先消隐时间，使已成立的由电容及次级侧整流产生的电流尖峰反向恢复时间不会造成过早终止开关脉冲。自动重启动：在发生故障，例如在输出过载，输出事件短路，或开环条件下，TinySwitch -Ⅱ进入自动重启动操作。一个内部的计数器的时钟振荡器gets每次EN/UV复位引脚拉低时间。如果在EN/UV引脚不拉50 ms,低功率MOSFET开关通常禁用850 ms（除在案件线路欠压条件在这种情况下，直到它被禁用被删除的条件）。自动重启动交替禁用，直到故障的功率MOSFET开关条件被删除。说明了自动重启动电路运行在一个短路输出状态。在欠压条件的情况下，开关MOSFET 的超出其正常850 ms时关闭电源。直到线路欠压条件结束。输入欠压检测电路：该DC线电压可通过连接监视外部电阻从DC线到EN/UV引脚。在电或当功率开关MOSFET是禁用自动重新启动，进入EN/UV引脚的电流必须超过50μA发起的功率MOSFET开关。在上电，这是通过控股的BYPASS引脚4.8 V而行欠压的情况存在。该旁路引脚，然后上升到4.8从V 5.8V当行不足电压条件goes了。当功率开关MOSFET是禁用自动重启模式和线下，电压条件存在时，自动重启动计数器停止。这延伸超出其正常850ms停用时间，直到线路欠压条件ends。线下的电压检测电路也时有没有外部电阻连接到EN/UV针（不超过~ 2μA成针）。在这种情况下，输入欠压功能处于关闭状态。