一種易拔充電頭的設計研究

馮琪琪，雷兵，李雪松

（山東華宇工學院 信息工程學院，山東 德州 253034）

0 引 言

充電頭在生活中是最常見的一種工具，但涉及觸電的工具，都存在這安全隱患，國內外有設計出將充電器通過杠桿原理，使其便捷地拔出，能夠有效降低安全隱患。充電器的市場面向也是十分廣的，為了滿足廣大消費者需求，一些生產企業通過對手機充電頭進行批量化規模生產，通過分析市場的需求以及進出口數量研判行業的總體需求狀況，避免總生產過剩，定期的分析市場現狀，調查客戶使用手機充電頭的情況，進行充電頭的創新，是現代社會生產的一個核心理念。以當下市場經濟為關鍵因素進行一些數據分析，其中包含有手機充電器行業的有關競爭企業數目、從事相應行業人數、工業總的生產值、充電器銷售量、出口的數目值、生產充電頭的數量、營銷充電頭時的收入額、銷售的利潤額、生產前資金與負債的基本情況、生產企業生產周期的數據等多方面數據綜合分析。

近年來，得益于智能終端設備需求急劇上升，作為標準手機配件的充電器設備行業也迎來爆發式增長，市場規模保持快速增長。數據顯示，預計到2022年全球有線充電器市場規模將達到114.31 億美元，但是在拔充電器是存在的安全隱患數目也是十分巨大，從根拔起，力度把握不準使，容易使得金屬片晃動，操作過程中手指也極易接觸到導電金屬片，存在安全隱患。

手機充電的原理是當手機電量耗盡時，手機顯示需要去充電，利用充電頭這一小裝置，將220 V 的電壓通過充電數據線傳輸到手機電池中，其過程是轉換為較小的恒定電流對手機中的電池進行充電，現在充電技術發展的迅速，最快的已經達到上百瓦，充電由幾個小時縮短為幾分鐘即可完成。在持續充電了一段時間，充電器利用內部恒流結構更大的提高電流的恒定，使充電更加的穩定，然后逐漸地提高電壓，快速充電，手機內部電池也需要適應電流的變化，否則會發生爆炸。在充電到八成的時候，會使電流降低，減小對電池的損害。在這個充電的過程結束后，當我們用較濕的手去雙手拔插頭時，容易使人與插排產生閉合回路，從而造成觸電的危害。

本產品是一種易拔充電器，通過同類產品結構、控制方式和加工技術的研究，實現其性能的提升，使其滿足使用要求，適應市場發展要求。我們都熟知拔電源插頭去切斷電源而不能總是依靠拔電源線來切斷電源，但是許多人還是難以改變這個習慣。懶惰的問題不去講，確實不方便以及不省力的設計更是很重要的因素，特別是那些質量差的插座讓人非常頭大。

1 方案的設計及硬件組成

1.1 方案的設計

在切斷電源時可以快速地且很容易拔出充電插頭，使用者觸電的風險大大降低，借助拔下插頭的過程中利用內部存在的彈簧裝置，使得給充電器提供向外的彈力，最后的效果是使充電頭在拔下的過程更加輕快便捷。充電頭內部需要設有彈簧裝置來提供力，充電頭外殼側面安裝有彈簧裝置啟動按鈕，當按壓啟動按鈕時，會使插入插口的充電器更容易的彈出，便于使用者去拔出，側重于對內部彈力裝置的測試，需要多次測試，適當的進行調整，最終選擇出一個合適的力度，安裝在充電頭內部，進行多次的數據測量統計，選擇最為合適的彈力作為易拔充電頭的動力裝置。結構如圖1 所示。

圖1 結構圖

1.2 硬件組成

1.2.1 外殼

多數采用塑料材質等絕緣材料作為充電頭的外殼，能夠起到絕緣，保護內部元器件的作用。

1.2.2 充電器的輸入端口、輸出端口

輸入端口可采用兩端口的金屬導電片，輸出端口選用USB 接口即可，為線路提供電源的輸入作用。充電器的輸出是與手機電池電極連接同一端口，若電池內部存在故障，那么連接外部電源成功，也可能無法正常充電。在準備使用充電頭充電之前，此時需要充電到一定穩定的電壓數值。因此，如果產品的電電量不足或有其他問題存在，最后造成使用者可能會在插入相應的適配器時誤認為其他系統原因所致，并且由于無法充電而沒有任何現象發生。如果用戶使用的手機電池確實存在一定的問題，則充電時可能永遠無法輸出正常穩定的電源電壓，進而減小手機使用的壽命。對于在使用較為穩定的輸入端口產品與輸出端口的產品時，可能需要不同的位置安裝來測試輸出的具體穩定情況。

1.2.3 柔性的線路板

柔性的線路板材料采用的是由柔性絕緣基材料成的印刷電路，柔性電路能夠提供優良的電性能，能夠滿足小型和高密度安裝的設計需要，也有助于減少組裝的工序和增強性能的可靠性。通過采用柔性電路板是能夠滿足電子產品變得更加精密。可以自由的改變與對折，能夠承受在使用數百萬次的動態彎曲情況下而不損壞導線的外部結構，從實現將元器件的裝配和導線連接過程，在當前的環境下采用柔性的電路板可以在一定的程度上降低充電頭內部質量與固定器件更加靈活。

1.2.4 電子元器件

包括電容、電阻、高頻變壓器、高頻振蕩、三極管、開關管等多種微小元器件。

其中，彈簧器件選擇適宜彈簧彈性示數的器件，通過后期模型制作，將彈簧觸發卡扣按鈕與彈簧器件產生聯系，通過按動觸發按鈕，使得彈簧器件啟動，進而對充電頭產生一個向外的推力，最終使得拔充電頭的過程變得相對輕松便捷。彈簧位置設計如圖2 所示。

圖2 彈簧位置設計圖

2 充電頭內部電路工作原理

當前所有手機的充電器其實都是由一個穩定電源（主要是穩壓電源，為了提供穩定工作電壓和足夠電流）加上必要的限定電壓電流等控制電路的組成。內部電路原理如圖3 所示。

圖3 內部電路原理圖

充電器內部電路工作原理：首先提供了220 V 電壓，經過D1-D4組成的整流橋變換至300 V左右的直流電電壓源，然后經過濾波電容進行濾波和三極管組成的高頻振蕩電路，將直流電轉化為高頻交流電，通過T1 變壓器進行降壓，再經過D8 組成高頻整流電路后變成低壓直流電來達到給手機供電的效果。

3 器件的安裝及調試

器件的安裝與調試，是整個充電頭生產制造的過程最為核心的一個過程，它的結構質量也是間接的影響設備使用的壽命。在易拔充電頭內部電路調試過程之前，要了解每一個元器件的性能及其參數指標，為了后期方便查找問題及檢測，各個元器件要留有足夠長的管腳，然后記錄不同電壓環境下輸出電流的變化情況，以及發熱會產生多大的溫度都需要有所考慮。該易拔充電頭的輸入輸出電壓特性的檢查與調試，以及邏輯控制信號的檢查等。通過以上調試介紹能夠總結出以下內容，易拔充電頭電子電路設計前需要制定具體的安裝與設計，并需要按照計劃進行調試，避免一些不必要的過程。在易拔充電頭的整體調試方法主要包含有以下三個方面的調試：易拔充電頭電路設計檢測、里面線路與外部密封性檢測、彈簧動力裝置位置安裝以及調試。

將充電頭內部彈簧控制裝置安裝好后，易拔的效果就已經顯示出了一部分，然后進行充電頭的外觀設計，檢查充電頭的外表，是否影響內部結構正常工作，部件間位置是否合理，避免擁擠造成里面線路短路，產生不必要的危害，并對各個元器件接線與可以過電的部位是否達到符合正常的接線標準要求，來降低所不必要發生的風險情況。

在器件絕密性檢測過程，主要是檢查測充電頭內部器件與充電頭外面間的空隙，會不會受潮濕氣體等一些自然因素影響，然后導致電路內部的器件受潮不能正常工作。當元器件受潮濕環境影響，造成元器件原先的性能發生一些變化，從而造成易拔元器件漏電或者發生短路事故，從而對人造成觸電的風險。因此，為了避免不必要的風險發生，在設計需要注意檢查各個部位是否完好，是否滿足正常運行的條件，降低一定程度上的風險。

對充電頭內部的調試。通過進行調試過程在不加任何輸入信號的前提下，只加一個電壓小信號給充電頭內部進行電流測試，進行理論實際的測試對比，對電路的設計進行判斷分析，及時調整存在的問題，使易拔充電頭內部電路的工作狀態達到預期狀況。

在進行充電頭實物調試過程中，正確的使用測試儀器的接地端，使得一個端口與地線相接，另一個與放大器進行串聯，測試放大器工作狀態下實際的誤差值，是否導致輸出的電流與電壓不具有穩定的特性。與此同時，將測試的數據進行手寫記錄，記錄的有各個元器件的測試值。通過以上調試，能夠在很大的程度上降低誤差，避免一些試驗的偶然性，使得到的數據較為準確。

4 使用說明

主要是通過內部彈力裝置的設置，按下按鍵卡扣，在彈簧恢復原長的過程中，產生向外的彈力，推出電源插口，使我們能夠單手從插排上取下充電頭。使用流程如圖4所示。

圖4 流程圖

在拔充電插頭過程中能夠實現單手操作，為了防止觸電，在拔下過程中，通過觸動彈簧啟動按鈕，利用彈簧裝置，通過給充電器提供彈力使拔下的過程更加輕易便捷，充電頭內部有彈簧裝置的目的就是為了提供反向的受力，減小拔出時的受力。因此設計時候需要在表面安裝有彈簧裝置啟動按鈕，當按壓啟動按鈕時，會使插入插口的充電器彈出，達到便于拔出的效果。

5 結 論

在調試階段，需要我們不斷地測試與插排彈力所提供的動力，使其達到一個最良好的彈力狀態，其次，在調試的過程中在不斷地更新機械結構來最大程度減少內部彈簧周邊的摩擦和碰撞，需要避免在內部線路摩擦所造成的損壞。

在接下來實物制造階段，該充電設備運用了一種新型的操作技術，能夠實現最終的易拔效果。該技術方法運用于現在的充電設備內部，實現充電頭和電源插排更容易分離。達到具有較高的使用安全性能，該易拔充電頭使用起來較靈活等一些使用方面的電子技術的創新特點，最終將易拔充電頭具有更好的性能優勢發揮出來。目前社會是變化飛快，在當下信息科技卓越的發展下，易拔充電頭設計研究顯示出了較為廣闊的發展可能。

目前充電的技術已經開始在各領域中探索運用。由于充電頭因拔下的方法不當，對充電器的損壞也就越大，同時也存有潛在的觸電安全隱患。要實現易拔這一特點，內部存在很多方法去改進。所以，要實現易拔充電器的特點，內部的彈簧動力裝置就是一個極為重要的關鍵點，是易拔充電頭現在設計的第一個核心的問題。還有就是要解決的問題是建立一個統一的易拔充電頭生產標準，將不同尺寸的充電頭與不同的彈簧動力裝置產生一定的效果，從而實現易拔的效果，該問題需要進一步進行試驗操作，進行相關數據的記錄。

本文重點研究了以彈簧動力裝置提供外力為方式為了容易拔出充電頭的技術原理和基本試驗方案及內部電子電路的設計。并同時說明了易拔充電頭的模型制造原理以及如何實現充電頭易拔的效果，其中說明了測試過程中需要注意的各種因素，分析了充電頭的結構模擬圖及內部電路圖。本文還給出了易拔充電頭的關鍵核心部位為彈簧組成的動力裝置，包括通過啟動卡扣才可以觸發，在一定程度上降低了拔充電頭的安全隱患。本文為易拔充電頭項目提供了基本理論和方法，為易拔充電頭的設計以及測試提供了參考和指導。