一種萬能快捷智能充電器的設計與研究

沈曄超，楊 浩，王 亮

（安徽機電職業技術學院，安徽蕪湖 241002）

隨著便攜式電子設備行業的快速發展[1]，智能手機、平板等電子設備也隨之得到快速普及。為了增加便攜移動式電子設備的續航效果[2]，常常也會增大充電器的功率[3]。伴隨著充電器功率的增大也次生了發熱量增加[4]等不利因素，現有技術中很多手機充電器在充電過程中發熱過量導致其外殼溫度過高，甚至比較燙手。充電器工作時的較高溫度容易加快電子元器件的老化[5]，帶來了一定的安全風險。不同移動設備的充電接口不盡相同，30pin、Micro usb、lightning、Type-c是目前常用移動設備上最常見的四種接口形式。過多的充電口配置也給用戶充電器的日常攜帶造成了困擾[6]。近年來，許多專家學者對不同形式的充電器原理及其性能進行了研究，這些研究分別通過無線充電技術、光致前體方法、快速響應和長循環壽命控制分析了使用不同充電器充電條件下電源傳輸效率，電荷轉移速度、存儲和釋放電量之間的相互關系[7-9]。后來，有人研究了全橋LLC諧振變換器拓撲、雙三相PMSM，設計了額定電壓范圍內充電時的功率控制策略[10-11]，但目前針對輸出電壓手動調節、溫度超標后熱量主動耗散、充電接頭便捷替換的萬能快捷智能充電器的設計研究還比較少見。

立足當前技術不足的情況，通過在殼體上設置多個通風口，在現有充電器的基礎上增加散熱組件，提升充電器的散熱功能，利用溫度傳感器將檢測到的充電控制板溫度數據發送至微控制器中，經微控制器驅動內置在殼體中的風扇電機轉動，運用顯示屏交互充電器的工作狀態，添加DCDC變換器進行不同移動設備所需電壓間的充電轉換，為不同負載的移動設備使用單一充電器進行額定條件下的安全充電提供了可能，采用磁吸形式的接頭實現了多項快捷接頭的替換，為充電器的降溫安全驅動和萬能接頭轉換條件下的快速充電提出了一種新的方法。

一 萬能快捷智能充電器的構架思路

為了實現萬能快捷智能充電，采用如下構架思路：在充電器的殼體上設置多個通風口，充電器殼體內設置充電控制板，充電控制板上設置溫度傳感器和微控制器，溫度傳感器與微控制器連接，用于將檢測到的充電控制板的溫度數據發送至微控制器中，微控制器通過電機驅動電路與風扇的電機連接，用于驅動內置于殼體中的風扇電機轉動，萬能快捷智能充電器的具體結構原理如下圖1所示。

圖1 萬能快捷智能充電器結構原理圖

如圖1所示，實施充電控制的電路板是萬能快捷智能充電器的控制核心，其上集成設置有安全電路、功率電路等，外部由保護殼體進行防護。由于充電控制板是充電器殼體內主要發熱部件，將溫度傳感器集成在充電控制板上，可以實時檢測充電時的發熱溫度，在微控制器中預設發熱溫度閾值，當溫度大于該閾值時，微控制器控制風扇啟動工作，從而實現風力散熱功能。

二 萬能快捷智能充電器的控制結構原理

微控制器選用AT80C52型單片機，溫度傳感器采用DS18B20，溫度傳感器的DQ引腳輸出端與單片機的輸入端口連接，在溫度大于設定值時，單片機通過電機驅動芯片ULN2003A驅動風扇的電機轉動，風扇轉動后產生氣流流動，從而完成殼體內部的散熱功能。

與微控制器機相連，通過單片機控制發光的LED指示燈設置在殼體外側。在風扇工作后，單片機驅動指示燈發出燈光來給出風扇工作的提醒信號。充電控制板上充電功率電路包括DCDC變換器，單片機的輸入端、輸出端分別與設置在殼體上的按鍵模塊和DCDC變換器相連，用于實現充電器的輸出電壓大小調節，以適應不同充電設備的需求。外殼上設有與微控制器相連的顯示屏，用于根據微控制器的控制情況進行顯示。

用戶可以通過按鍵來調整修改DCDC變換器的輸出電壓，單片機接收到按鍵信號后控制輸出DCDC變換器的輸出控制信號，進而控制DCDC變換器的輸出，最終實現對DCDC變換器輸出電壓的調節。同時可通過單片機控制顯示屏選擇顯示此時的輸出電壓或溫度數據，方便用戶調節輸出電壓時進行實時查看，輸出電壓和實時溫度分別根據單片機輸出的控制信號和溫度傳感器采集的溫度數據來確定。圖2為單片機與LM016液晶顯示屏以及設計組件連接的電路原理圖，通過電路原理圖即可實現按鍵控制和基于單片機的液晶顯示屏控制。

圖2 采用單片機驅動顯示屏的原理圖

三 萬能快捷智能充電器的散熱結構原理

萬能快捷智能充電器的結構示意圖（剖視圖）如圖3所示，其殼體外形以立方體形狀為例。

圖3 萬能快捷智能充電器散熱結構示意圖

在殼體相對應的兩個側面上（如左右、前后）設置通風口，通風口包括進風口和出風口，進風口一側殼體內設置風扇，風扇通過固定支架與殼體內壁固定連接，殼體內的充電控制板通過支架與內壁固定連接。由于進風口和出風口分別設置在相互對應的殼體側面上，當電機工作時，采用氣流流動進行散熱。殼體選用PC/ABS阻燃耐熱材料制成。風扇采用微型風扇，再安裝增加消音棉進行固定消音，降低運行的噪音，提升體驗。

由于單片機、風扇等工作需要供電，設置供電電路，供電電路的輸入端與充電器的交流電輸入端連接，供電電路的輸出端分別為單片機、風扇工作供電，供電電路包括ACDC轉換器、DCDC電路、穩壓電路。當充電器工作時，交流電會流經充電電路，經整流電路進行交直流變換，再經過直流變換和穩壓輸出后分別為各模塊供電，只要充電器工作時單片機和風扇等其它電氣元件就可以得電工作，無需設置電池等外部單獨供電裝置，設備供電即插即用，方便快捷。

四 充電接口快換功能的實現

為了實現不同移動設備充電接口之間的快速轉換，采用不同的磁吸接頭，將輸入電能轉為其它不同移動設備、電池的充電電源。磁吸式充電線利用異名磁極相互吸引的特性實現吸附功能，由母端組件和與其同軸的公端組件共同組成。磁吸線兩端分別設置磁性物質和磁鐵，當兩端距離縮小至磁力控制范圍以內時，就可以自動對吸充電，用戶操作簡單方便，其模型結構如圖4所示。

圖4 磁吸式充電線結構模型

由于使用了磁吸充電器，可以實現不同電子設備與220V電壓之間的充電。為了防止移動電子設備的過充現象，使用電壓差充電模式，即充電過程中，充電電流的大小與充電器輸出電壓和充電電池電壓的差值負相關，直到兩端電壓相等時充電電流降低至0，充電過程結束。磁吸式充電線的實物圖如圖5所示。

圖5 磁吸式充電線實物圖

五 萬能快捷智能充電器的整體結構和重量設計

以常見充電器外形為例，構建萬能快捷充電器外部輪廓，如圖6所示。

圖6 萬能快捷充電器外部輪廓

從萬能快捷充電器外部輪廓圖中可見，所示案例中的充電器外部輪廓主要由置于左側的進風口1、置于右側頂部和底部對稱分布的出風口2、輸出充電電壓的USB輸出端3、給充電器供電的220V電源接頭4、工作指示燈5和液晶屏6組成。當充電器工作狀態下內部溫度超過預設閾值時，內部風扇工作，帶動氣流從進風口1進入充電器內部，通過上下兩側對稱分布的出風口2流出，實現了內部過高溫度的耗散，充電器內腔溫度得以控制，在此過程中，工作指示燈5和液晶屏6實時顯示充電器當前工作狀態。萬能快捷充電器外部輪廓和常見充電器區別主要在于進出散熱風口和液晶顯示器的設置，其余相差不大。

為了直觀顯示萬能快捷充電器內部整體結構，在圖7萬能快捷充電器整體簡圖中透明化處理殼體后可見：散熱風扇1置于進氣口內側殼體壁板上，充電控制板2在完成輸出電壓調節的基礎上通過傳感器和微處理器控制風扇1的啟動和停止。在散熱氣流進出口處均設置密集多孔狀防塵網3，避免外部空氣流入殼體內部的過程中引入灰塵和雜質，造成對內部電子元器件的損傷。

圖7 萬能快捷充電器整體簡圖

由于小型液晶屏和防塵網本身重量極其有限，液晶屏安裝還需要去除殼體上的等大面積材料造成減重，防塵網的增加也伴隨著出入風口的孔狀設計，因此液晶屏和防塵網的加入并未造成萬能快捷充電器重量實質上的增加。與傳統充電器相比，萬能快捷充電器的最大增重之處為在原有充電器的基礎上添加了散熱風扇。當前技術條件下，散熱風扇小型化和輕型化技術日臻成熟，可選擇規格繁多，以RFA1504U型號超低電流微型軸流風扇為例，其額定電壓為2.4V，額定電流為8mA，轉速能達到5000r/min，重量卻只有1.4g。表1列舉了市場上部分常見品牌充電器型號和重量。

表1 部分常見品牌充電器重量統計

通過對比可以看出，常見品牌充電器的重量約在100g附近，而可選散熱風扇的重量能夠控制在2g以下，添加散熱風扇對于充電器總體重量的影響非常微小。因此萬能快捷智能充電器可以在增強充電器散熱性能的同時保持常規充電器重量輕、外部輪廓小、攜帶方便的特點。

六 結語

萬能快捷智能充電器由實施充電控制的電路板和保護內部電氣元件的殼體構成。殼體上設置多個通風口，在充電控制板上設置DS18B20溫度傳感器和與之相連的AT80C52單片機，用于將檢測到的充電控制板溫度數據發送至微控制器中。殼體內設置經電機驅動電路與微控制器連接的風扇電機，從而使得內置風扇電機能夠在微控制器的調控下進行轉動工作。通過增加設置風扇實現了對充電器過多發熱量的風力耗散，減少了常見大功率快充充電器散熱問題，增強了充電器的安全性能，在一定程度上提高了使用壽命；通過指示燈可以指示風扇的工作狀態，向用戶做到即時反饋，借助LM016顯示屏可以顯示輸出電壓或當前溫度的實時數據，方便用戶進行實時查看。利用磁吸式結構，解決了不同移動設備充電時接口轉換不便的難題。萬能快捷智能充電器重量較輕、外部輪廓較小、攜帶方便，具有一定的實用價值。