關于新型節能Micro-USB充電器的設計及應用

唐靖杰（內蒙古工業大學機械學院機械設計制造及自動化系,呼和浩特 010010）

關于新型節能Micro-USB充電器的設計及應用

唐靖杰
（內蒙古工業大學機械學院機械設計制造及自動化系,呼和浩特 010010）

隨著科技的迅速發展，便攜式移動設備極大地改變了人們的生活方式。據統計，僅手機用戶全球就有33億，且用戶數量還在不斷地增長[1]。科技的迅速發展也加快了人們的生活節奏，通常情況下，人們為了使用方便，對手機、相機等電子移動設備完成充電后，并不主動從插線板上拔下充電器或切斷電源。針對此現象提出了對傳統Micro-USB充電器的改進措施和在實際生活中的應用。

節能；Micro-USB充電器；獨立開關

1 分析現狀

自進入21世紀以來，隨著科學技術的迅速發展，便攜式移動設備極大地改變了人們的生活方式。據統計，僅手機用戶全球就有33億，且用戶數量還在不斷地增長[1]。同時科技的迅速發展也加快了人們的生活節奏，通常情況下，人們為了使用方便，對手機、相機等電子移動設備完成充電后，并不主動從插線板上拔下充電器或切斷電源。根據前期的市場調研統計匯總后，71%的用戶在用電器充電完成后都不會主動拔掉充電器，同時通過查閱相關書籍和資料對國內外在充電器方面所做研究的現狀進行調查：太陽能充電器.它是通過脈寬調制對手機電池充電進行智能控制,從而提高太陽能電池輸出功率及手機電池的使用效率,達到延長電池使用壽命和節能目的的太陽能手機充電器，此設計由東華理工大學電子與機械工程學院楊云麗，宋振燦完成[2]。針對現有充電器的設計不足,洛陽大學設計了一種新型、節能、高效、快速、的充電電路，該電路具有易實現、便于擴充等特點[3]。基于單片機的智能充電器,這種充電器可以實時采集和計算電池的數據,并進行智能控制[4]。 基于LNK616DG控制開關元件，采用反激式電路結構，實現低功耗和低成本的要求[5]。一款具有Micro-USB接口IC的產品由飛思卡爾半導體推出，它通過一個Micro-USB接口實現了外部附件的連接，包括充電器，麥克風，耳機和音頻數據連接[6]。

2 提出問題：

通過國內外研究現狀能夠了解到，充電器在安全和節能方面已經達到了很高的水平，但是在用戶體驗方面還是有一定的欠缺。那怎樣才能在滿足安全節能的同時又能滿足用戶對使用方便性的需求呢？

3 研究內容:

3.1 內容一

充電器由220V市電電源通過插頭引入，一端接在整流和降壓穩壓電路模塊的輸入端，另一端通過開關再接入整流和降壓穩壓電路模塊的輸入端，整流和降壓穩壓電路模塊通過充電器輸出，充電器和電源開關聯動，電路圖如圖1所示。

圖1 節能USB充電器接線電路圖

方案一：在傳統的Micro-USB（公口）內部增加獨立開關，如將電源開關安裝在標準Micro-USB（公口）低壓充電器旁，1是電路板，2是Micro-USB（公口），3是絕緣凸起，4是開關壓簧片，5是Micro-USB（母口），常態下沒有插入，兩個開關壓簧片處于斷開狀態，當把Micro-USB（母口）插入Micro-USB（公口）時，Micro-USB（母口）將絕緣凸起頂向開關，使兩個開關壓簧片4閉合。電路自動接通，按電路圖1所示，即通過插拔插頭的方式可完成接通或者完全切斷交流電源實現節能降耗的目的，Micro-USB（公口）與Micro-USB（母口）如圖2和圖3所示。

圖2 Micro-USB（公口）與Micro-USB（母口）未連接狀態

圖3 Micro-USB（公口）與Micro-USB（母口）連接狀態

方案二：在傳統充電器中增加旋轉式獨立開關，6是可往復旋轉的端蓋，在端蓋6上安裝有電源開關7、開關壓簧8和直流電源輸出充電器9，圖中外殼10和對應壓簧8的部位有一段凸起，按逆時針方向扭動端蓋6到圖4所示位置時，壓簧和開關彈起，開關斷開，按順時針方向扭動端蓋6到圖5位置時，外殼10上的凸起通過壓簧將開關壓下使其接通。電路連接如圖一所示，開關閉合整流和降壓穩壓電路模塊接通，低壓充電器供電，當開關斷開，電路模塊斷電，完全切斷交流市電，無待機空耗，從而實現節能降耗的目的。旋轉式獨立開關如圖4和圖5所示。

3.2 內容二

在傳統Micro-USB充電器中增加電壓檢測電路，使其能夠控制電路通斷。基本原理：當充電器在有負載時，安裝在傳統Micro-USB充電器次級整流器后的可控精密穩壓源（TL431）可對電路進行分壓取樣[7]。取樣后的電壓會被送到電壓比較器A中，通過比較反向端和同相端電壓高低從而來控制輸出電平。當反向端電壓大于同相端時，輸出低電平，比較器B的反向端通過D2將電壓拉低，比較器B輸出高電平控制場效應使電路導通。當負載充電完成后，電流會降到20mA以下，比較器A反向端電壓低于同相端，D2截止，比較器B輸出低電平，場效應截止，充電器停止對負載充電[8]。圖6中通過R7和C7可以決定延遲時間，本方案取20秒，如果不連接負載直接插本充電器，那么20秒后自動斷電。（增加電壓檢測電路的電路圖如圖6所示。

圖4 旋轉式獨立開關處于斷開狀態

圖5 旋轉式獨立開關處于接通狀態

4 研究意義

總結充電器在空載情下的危害主要有以下3點：

4.1 耗能嚴重

通過使用萬用表，功率測試儀，溫度計等測試工具對3款主流品牌的USB充電器進行實測，輸出電壓電流均為直流5V1A。測試時室內濕度為15%，溫度為24℃，電源電壓約為220V，頻率為50Hz，條件符合充電器的使用標準。通過測試，三款充電器中最大的功率為0.9W。在YD/T 1591-2009《移動通信終端電源適配器及充電/數據接口技術要求和測試方法》中規定電源適配器的額定輸出電流應在500mA至1500mA的范圍內[9]。測試的三款USB充電器全都符合這一標準。而該行業標準同時還標明，在電源適配器無負載能量消耗下，功率消耗小于150mA[9]。通過換算，三款USB充電器明顯超過這一標準，但此項標準定并非強制性。根據計算，0.9W的耗電量，對于大多數人而言是微不足道，因為1111小時才會消耗掉1KWh（也就是1度電），但是，如果使用充電器的用戶都不注重這些，那么結論是非常驚人的。經調查2012年三大運營商的手機用戶總量接近10億人[10]，如果有七分之一的人在充電完成后不拔充電器，那么，每天就有1.43億個充電器插在插線板上，按照每個充電器0.9W的耗電量來計算，其總功率約合128700KW，相當于18385710個家用節能燈運轉。

4.2 輻射危害

充電器在空載狀態會有電磁輻射，那么充電器空載狀態的輻射會對人體有傷害嗎？經有關專家測試，充電器空載狀態的情況下，30厘米的范圍內都會有輻射，其磁感應強度最高達到1400毫高斯。輻射會殺死人體少部分的免疫細胞，這有可能會對人體的健康造成一定的損害[11]。

4.3 火災影響

充電器長時間空載插在插線板上會造成充電器內部元件老化，這不僅縮短了充電器的使用壽命，甚至還可能引發觸電，火災，爆炸等危害！

因此基于這三點危害，研制一款新型節能充電器顯得十分必要。本設計作品通過在傳統的USB充電器上增加獨立開關，從而控制輸入電源的接通和斷開，這樣在拔掉負載后就可以完全斷開輸入電源。這不僅在為消費者提供方便的同時也實現了節能降耗的目的，而且也相對延長了電路元器件的使用壽命。

5 應用創新點

圖6 傳統Micro-USB充電器中增加電壓檢測電路的電路圖

（1）通過在標準Micro-USB（公口）的內部增加獨立開關來控制電路的接通與斷開，使充電器在節省電能的同時相對延長電路元件的使用壽命。

（2）改變充電器的內部結構使充電器在節省電能的同時相對延長電路元件的使用壽命。

本產品與傳統USB充電器相比主要有四大優勢：

1）本品有節約能源的優勢。

2）充電器上的插頭是有使用壽命的，經常的拔插會造成插頭和充電器連接處損害。而本產品更加人性化，能在方便的同時防止由于長期的插拔對插頭的損害。

3）本產品保證了制造的成本。

4）可相對延長充電器中電路元件的使用壽命。

[1]堀切.近史.USB手機充電器將獲得飛躍發展[J].電子設計應用,2007（10）:67-68.

[2]楊云麗,宋振燦.太陽能手機充電器的設計[J].電子質量，2009（04）:26-29.

[3]王云霞，邵麥頓.新型快速節能充電器的電路設計[N].洛陽大學學報，2004,19（04）:33-36.

[4]董文博，吳知非.數字化智能充電器的設計[J].電子技術應用，2006,32（01）:78-80.

[5]郭育，蔡慧，嚴虹.反激式通用USB充電器設計[J].現代計算機（普及版），2013（11）:50-53.

[6]飛思卡爾半導體公司.飛思卡爾迷你USB接口IC實現了移動設備充電、音頻和數據的單一連接[J].電子技術應用,2009,35（12）:23-23.

[7]王芳.電子線路Protel99SE使用教程[M].北京：人民郵電出版社，2001：45-50.

[8]夏路易,石宗義.電路原理圖與電路板設計教程[M].北京：北京希望電子出版社,2006:3-25.

[9]中華人民共和國工業和信息化部.移動通信終端電源適配器及充電/數據接口技術要求和測試方法[S].北京：人民郵電出版社，2010:2-3.

[10]楊平,高國杰.2012年中國移動電信聯通三大電信運營商走勢與分析[J].資本市場，2013（03）:15-16.

[11]蔡曉濱.不拔充電器危害有多大[N].青島日報，2013（09）.

唐靖杰（1993-）,男,內蒙古呼和浩特人,本科，研究方向是機械制造與設計。