手機恒流充電器的設計及應用

翟亞軍

摘 要：眾所周知，手機處理器正在以摩爾定律的速度前進著，早先的單核雙核已經進化到了如今的八核十核。相比于飛速發展的手機硬件性能，電池技術的進步可用"龜速"來形容也不夸張，成為提升用戶體驗的瓶頸之一。如今手機廠商解決續航的辦法無外乎兩種：一是直接使用大容量電池，二是使用快速充電技術，相較于前者的"簡單粗暴"，后者的實用性顯然更高。

關鍵詞：手機恒流充電器；安全；高效；快速；

引言：

電池供電設備是我們日常生活的重要組成部分，這些設備的充電負擔比以往任何時候都更加受到重視。在過去幾年中，出現了許多解決充電時間較長的新方法，使用戶能夠在幾分鐘內完成充電而不再是幾個小時。

一、電池充電的階段

電池在充電時通常經歷兩個階段：恒定電流（CC）和恒定電壓（CV）。圖1所示為4.2V鋰離子（Li-ion）電池的典型充電曲線。當大部分能量從充電器傳輸到電池時，CC大致用于充電的前67%時間。在剩余充電時間的最后33%內，則是恒定電壓，以充分充電并保持電充滿。考慮到放電電流，并保持電池電壓完全充電，一些充電器在CV期間泵送小電流（也稱為涓流充電）。

后一段描述了一種典型的充電方案，握手次數不多，充電率正常。最新推出的方法是通過在CC階段向電池提供更多能量以最大化充電時間。這些方法使用專利充電算法或采用主流標準，比如USB供電可編程電源（PPS）標準。壁式充電器和設備都可進行連續握手，智能傳達電池的需求并使充電效率最大化。

兩種主要的快速充電方式分別是高電壓和低電流（傳統方法）、高電流和低電壓（新主流趨勢）。第一種方法使用現有的充電線，并將電流限制在約2A，同時將電壓提高到15V。該方法的問題是設備側電壓轉換階段的散熱高，從而導致電池壽命縮短，可轉移到電池的最大允許能量減小。

第二種方法使用接近電池電壓的電壓，以及可以直接流向電池的較高電流。這種方法通常被稱為直充或閃充。該方法允許在較低溫度下實現更高的充電率，因為器件側無電壓轉換。然而，閃充需要特殊的充電線來實現更高的電流流動。這個想法是嘗試以盡可能接近最大允許速率的速率對電池充電，以最小化充電時間。

考慮到閃充的冷卻器溫度曲線；它越來越受歡迎，大多數現有標準都采用它。精確的電流控制回路是必要的，用以實現更快的充電時間，并可在其它模塊（電池充電器和燃油表已使用類似模塊）之上添加額外保護層。雖然您可以集成電流檢測功能，但是很難匹配達到專用電流檢測解決方案使用小分流電阻最大限度減少了散熱而提供的精度水平，也很難匹配達到監控高邊電流的能力。

TI提供各種適用于閃充的專用電流傳感器。這些解決方案包括INA210系列，其可在較寬的動態范圍內提供極好的精度；INA199具有精度和成本的絕佳組合；和新型INA181系列，它在帶寬、精度和價格方面提供最佳價值。在這個應用中，INA181較寬的350kHz閉環帶寬使得能夠檢測到CC信號的快速波紋——出于電池保護和安全的需要，它所包含的信息可用于最大化CC，并通過最小化保護帶來實現。

總而言之，當今快速充電方法的主要局限是散熱靠近電池，這限制了所能傳送的最大允許能量，從而限制了充電時間最小化。此外，高溫有引起安全問題和電池壽命降低的擔憂。閃充發展潛力很大，因為它允許在相對較冷的溫度下進行高水平的能量傳遞，同時最大化充電效率并最小化充電時間。實現這種高效率需要精確的電流控制回路，這通過專用電流傳感器更好地實現。

二、全自動斷電手機充電器設計方案

1.較現有斷電充電器而言，本產品的優點在于不僅能夠在充滿電的情況下自動斷電，而且在人為拔掉手機的時候也能自動斷電，實現自動斷電

工作原理：將充電器與手機、插座連接后，電壓通過電阻調整，以一較小值進入電壓比較器，輸出一個額定值，是手機正常充電。當手機充滿電時，有一個大于另一端電壓進入電壓比較器，輸出0V，此時繼電器吸和銜鐵，使電路斷開，實現自動斷電。

2. 硬件組成

2.1繼電器

使用微型繼電器實現電路通斷控制。當未充滿電時，上方銜鐵吸合，手機正常充電；當充電器充滿電時，上方銜鐵斷開，使電路瞬間斷開，實現自動斷電。

2.2電壓比較器

使用比較電壓比較器實現所需電壓輸出。電壓比較器可以看作是放大倍數接近“無窮大”的運算放大器。電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小（用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系）：

當“+”輸入端電壓高于“-”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平；

當“+”輸入端電壓低于“-”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平。

2.3二極管

電路多次運用到了二極管防止電流回流，而其各自的功能也不相同。

（1）采用1N4007型號二極管。

（2）作用：1.當手機充滿電后，利用二極管單向導通的性能，防止電流逆流。（2）當手機電池正負極反接時，可以保護電池，延長使用壽命。

（3）采用IN4148，是一種小型高速開關二極管，開關比較迅速，廣泛用于信號頻率較高的電路進行單向導通隔離，通訊、電腦板、電視機電路及工業控制電路中常用。

2.4電容

使用22u/10V電容控制繼電器動作的穩定。電容可以在給定電位差下的電荷儲藏量，當手機未充滿時，電容貯存電荷；當電池將要充滿時，電容放出電荷，是電路電流穩定，繼電器不會因電流不穩定而使銜鐵上下擺動，利于實現自動斷電。

2.5電阻（R9/10K）

此處使用10千歐的電阻與比較器并聯，防止繼電器因電流不穩定而使銜鐵上下擺動，有利于實現自動斷電。

2.6復位開關

為了減少用戶的麻煩，選用復位開關（SW-PB），以實現自動回復。其原理如下所述：按下開關一瞬間，使電路瞬間導通，當放開開關時，開關與電路斷開，達到電路瞬時接通，使之正常工作。

使用說明

（1）請總是在電源適配器周圍留出空間，不要在空氣流通不暢的地方使用電源適配器。

（2）連接或中斷電源適配器時，請總是抓住電源適配器的兩側，請勿讓手指碰到插頭的金屬部分。

（3）在將USB電纜連接至電源適配器之前，確保電源適配器的USB端口中沒有異物。

（4）電源適配器是高壓器件，無論什么原因都不應該拆開它，即使在電源已關閉時也不可以。

參考文獻：

[1]小功率超級電容獨立電源的研究與設計[D]. 奚勇.昆明理工大學 2014

[2]基于超級電容的雙向變換能量存儲系統的研究[D]. 佟德軍.哈爾濱工業大學 2012

[3]超級電容荷電狀態計算方法的研究[D]. 郝國亮.華北電力大學 2012