基于多功能手机充电器的设计

主要内容：
(1)编写毕业设计论文;
(2)设计和制作基于多功能手机充电器的设计
1. 原理图分析和设计；
2. 元器件的选择；
3. 制作并调试实物.
基本要求：
1．理解多功能手机充电器的原理；
2．能够正确实现多功能手机充电器的设计及实现其功能；
3. 使该电路应用到实际中.
主要参考：
1、多功能手机充电器的应用和研究;
2、多功能手机充电器的分析及应用.
基于多功能手机充电器的设计
摘要：本设计随着便携式电子设备的普及和充电电池的广泛应用，充电器的使用也越来越广泛，但其性能却跟不上电池的发展要求，其电路设计存在较大的缺陷。

针对目前市售充电器的技术缺陷，本文应市场需求设计了一款多功能锂离子电池充电器。

本多功能充电器具有检测锂离子电池的状态；自动切换电路组态以满足充电电池的充电需要；充电器短路保护功能；以恒压充电方式进入维护充电模式；充电状态显示的功能。

本文充分考虑了国内外的设计方案，在设计中针对市场需求，在功能上进行了适当调整，以满足用户对高性价比的需要。

功能适用、价格低廉、电路简化是本设计的重点。

关键词：维护充电方式；电路切换；智能充电；窗口检测
Based on the design of multi-function mobile
phone charger
Abstract：The design of portable electronic devices along with the popularity and extensive use of rechargeable batteries, chargers use was also more widely, but its performance has not kept pace battery development requirements, its circuit design there is a big flaw.View of the current commercially available charger technical defects, this paper is designed in response to market demand for a multi-functional lithium-ion battery charger.This multi-functional lithium-ion battery charger with the detection of the state; automatically switch the circuit configuration to meet the rechargeable battery charging needs; charger short-circuit protection function; to enter the maintenance charge constant voltage charging mode; charge status display function.This full account of the design of the program at home and abroad, in the design for the market demand, in the functional on the appropriate adjustments to meet the needs of users cost-effective.Feature is available for low cost, circuit simplification is the focus of this design.
Key words: Maintenance charging mode; circuit switching; intelligent charge; window test
目录
引言 (1)
1 概述 (2)
1.1电池的应用现状 (2)
1.2多功能手机充电器的设计背景 (3)
2 锂离子电池特性 (5)
2.1锂离子电池多功能充电器系统分析 (6)
2.1.1锂离子电池快速充电特性 (6)
2.1.2锂离子电池快速充电状态 (7)
3 充电器的基本设计 (9)
3.1工作原理 (9)
3.2充电时间 (11)
3.3设计注意事项 (12)
4 结论 (13)
致谢.............................................. 错误！未定义书签。

参考文献.. (13)
附录1 (14)
附表2 (15)
引言
随着现代科技的日益发展，对手机的要求也日趋多功能化。

而手机耗电量的逐步增加，引起了人们的高度重视，这就使我们提高了对手机电池节能的要求。

另一方面，手机电池随着手机体积的日渐缩小而变得越来越精小化。

然而，电池供电技术却并没有随之提高，这就使我们手机出现了待机时间日渐减短的问题，从而，给一些经常外出的人们在使用手机时带来了不少的麻烦。

为解决这一问题，许多人在购买手机时采用了双电双充的配置方案，以便用来解决手机耗电量大的难题。

当然，这样做也相应提高了手机的购置成本，同时，在我们使用的时候也并不像想象中的那样方便，这使得我们外出时因为电池电量不足影响手机的正常使用。

针对这一现象，本文专门介绍了一种多功能的手机充电器，希望能够为那些经常外出的朋友们解决这一难题，同时，带给大家更多的方便!
1 概述
目前，市场上手机充电器种类繁多，但其中也有很多质量低劣的不合格产品。

在去年国家产品质量监督部门的抽查结果中，将近40％的厂家生产的充电器不合格。

其主要问题出现在: 与交流电网电源的连接，电源端子骚扰电压，辐射骚扰场强和充电电压几个方面。

另外，一些产品的低温性能、额定容量、放电性能、安全保护性能等方面存在质量问题。

这些质量问题不仅会影响到手机的正常使用，而且还会影响到手机的使用寿命，严重时还可能使消费者受到伤害。

现在市场上出现了一些假冒伪劣手机便携式充电器。

这些充电器由于价格非常低，携带方便，有许多消费者更愿意使用这些充电器来对手机电池进行充电。

而实际上劣质充电器就是一个没有安全保证的简易变压器，由于内部缺少保护电路等安全保证的零配件，因而重量较原装品轻许多。

由于现在的手机电池多采用锂离子电池或镍氢电池作电芯，对充电器的电压、电流特性及安全保护都有很高的技术要求，而那些假冒伪劣的充电器因其设计简单，材料劣质，加工粗糙，会对我们的手机电池性能与寿命造成很大损害。

所以，没有保护电路的充电器，是不能保证我们手机充电时电流的稳定，从而会有烧坏电池甚至引发爆炸的危险。

因此，针对以上所述的各种情况，我们专门设计了一款安全可靠、携带方便、物美价廉的多功能手机充电器，希望能够为大家解决更多的实际问题！
1.1电池的应用现状
在消费市场上锂电池因其具有较高的能量重量比和能量体积比，无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿命较长，价格日趋低廉等特点受到了不少消费者的青睐。

同样它的这些特点促进了便携式手机充电器转向多功能手机充电器的发展趋势。

锂电池的不足之处在于对充电器的要求和保护电路的要求比较苛刻。

其要求的充电方式是恒流恒压方式，为了有效利用电池的容量，我们需要将锂离子电池
充电至最大电压，但由于过压充电会造成电池的损坏,这就要求有较高的控制精度（精度高于1％）。

另外，对于电压过低的电池需要进行预充，当充电终止时，除检测电压外，还需采用其他的辅助方法来作为防止过充的后备措施，如检测电池温度、限定充电时间，为电池提供附加保护等。

由此可见，实现安全高效的充电控制是成为锂离子电池推广与应用的瓶颈。

对于锂电池充电器的基本要求是在特定的充电电流和充电电压下，来保证电池的安全充电。

同样，增加其它的充电辅助功能是为了延长其电池寿命简，以便进一步简化充电器的操作。

例如：给放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。

当然，所有或者部分功能都可以在充电芯片中实现，同样也可利用ASIC、分立器件或在微处理器的基础上使用专门软件来加以实现。

1.2多功能手机充电器的设计背景
目前，所有手机充电器其实都是由一个稳定电源（主要用来提供稳定的工作电压和足够的工作电流）以及必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。

而手机常用锂离子电池充电器采用的是恒流限压充电方式。

由于每个品牌的锂电池不可能完全一样，其内部的芯片肯定会有一定的差别。

而我们平日常用的万能充同样是根据自己的电板设计，来满足部分消费者的需要。

所以，有时候为我们手机电池充电的时候，它显示充电满了，可是实际上与真正的饱和还差甚远。

从上可以看出，我们所使用的万能充不能提供恒流限压充电限制，所以我们最好是少用甚至不用。

根据以上的各种事实论述和技术基础，为本款多功能手机充电器提供了更多的技术指标，从而能够为我们的手机充电提供更多的便捷服务！
(1)手机充电器市场需求情况及发展趋势
1）当前，手机充电器可分为单槽形状和双槽型两种，而单槽形充电器正在受到双槽形的攻击。

双槽形充电器除了具有慢速充电、快速充放电以及镍镉、镍氢锂电池兼充的标准功能外，还有部分产品带有自动温度控制与电压控制，严防过充等新功能，因而消费者应普遍倾向于双槽型充电器。

2）随着手机种类的日益增多，各种充电器因机型不同，电源端口的大小不
同，而不能互换使用，这样也给消费者带来了诸多不便。

然而，标准型充电器是指可以连接所有手机底端电源插座的充电器，并且生产的手机电源端口也应为适用于统一标准充电器的规格。

这样，消费者将不必在每次更换手机的同时去购买新的充电器。

由此可见，多功能手机充电器也应该向便携式、双槽式方向发展。

同时，也应该向标准化、通用化的方向发展。

3）对于手机充电器的待机耗电量的降低同样是多功能手机充电器设计过程中的一个重要环节。

相比于以前大众化的手机充电器，该款将会在各项多功能手机充电器的功能更加的完善，同时，更进一步降低了本身的待机耗电量。

4）现在市场上的大部分充电器，只是针对锂电池或镍氢电池进行充电。

随着市场的发展，自动识别两种电池而进行相应充电的多功能充电器正在逐步占据主流。

它可以自动分辨锂电池或镍氢电池的“座充能”（防止将锂电池放电的错误动作）。

同样，好的充电器可以辨识出来是锂电池还是镍氢电池，因此不会做放电动作；差的充电器则做不到这一点，这就会造成锂电池寿命的折损。

2 锂离子电池特性
电子技术的不断发展促进了各种电子产品向小型化的发展趋势，如手机、数码相机、笔记本电脑等电子产品的普及推广。

从而也促进了充电电源的小型化。

金属锂是所有金属中最轻，氧化还原电位最低，质量能量密度最大的金属离子，这都推动了锂离子电池的发展。

另外由于人们环境保护意识的日益增强，对铅、镉等重金属的使用日益受到限制，这也推动了锂离子电池的发展。

以下是锂离子电池的特性：
1）工作电压高
通常锂离子电池的电压为3.7 V。

单体电池即可为3 V的逻辑电路供电。

对于工作电压较高的电子设备，锂电池组同样可以满足其需求。

2）体积小、重量轻、比能量高。

通常锂离子电池的比能量可达镍镉电池的2倍以上，与同容量镍氢电池相比，体积可减少30%，重量可降低50%，有利于便携式电子设备小型轻量化。

3）寿命长
锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂，从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。

目前，锂离子电池的寿命可达1200次以上，远远高于各类电池。

4）安全快速充电
锂离子电池与金属锂电池不同，它的负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。

并可在两小时内充足电，而且安全性能大大提高。

5）允许温度范围宽
锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在-20℃~+60℃之间工作。

高温放电性能优于其它各类电池。

此外，锂离子电池还具有自放电电流小、无记忆效应和无环境污染等优点，综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池。

尽管锂离子电池具有上述诸多优点，但还是存在有如下的缺点：
①与干电池无互换性。

锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和干电池互换的缺点。

当锂电池放完电时，一般的想法是用干电池暂时取代，但由于这两者电压不同，不能直接代换。

②无法急速充电。

锂离子电池不能像镍镉电池那样，用15分钟急速充足电。

锂离子电池的充电方法是：最初以恒定电池充电，最后则以恒定电压完成充电。

这样，充电时间约需2小时，第一个小时可充入电池额定容量的80%左右。

③内部阻抗高。

因为锂离子电池的电解液为有机溶液，其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液小得多。

所以，锂离子电池的内部阻抗比镍镉电池或镍氢电池约大10倍。

④工作电压变化较大。

电池放电到额定容量的80％时，镍镉电池的电压变化很小(约1%），锂离子电池的电压变化很大（约40%）。

对电池供电的设备来说，这是严重的缺点。

但是由于锂离子电池放电电压变化比较大，很容易据此检测出电池的剩余电量。

当放电速率较大时，容量下降较大。

锂离子电池和镍镉电池容量的减少量相当。

同其优点相比，这些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技、高附加值的产品中。

因此，锂离子电池具有广泛的应用价值，其经济价值相当可观！这些也促进了本款多功能手机充电器的完美设计。

2.1锂离子电池多功能充电器系统分析
2.1.1锂离子电池快速充电特性
1）恒流充电特性
锂离子电池由锂离子移动产生氧化——还原反应，充电效率几乎为100%。

若继续进行恒流充电，充电电压有可能超过使用电压。

原因是若超过一定电压，金属锂将尽快析出来并发生电解液的分解。

2）充电电压/电流特性
本款多功能手机充电器在对完全放电的锂电池进行恒流充电时，以充电量为参数，表示其电流与电压之间的关系，即为充电电压/电流特性。

对于根据电压
决定充电电量的锂离子电池，需要设定安全的最高电压进行充电，适宜用恒压充电方式。

3)充电终期电压的温度特性
电池的充电电压一般为负温度特性，因此需要对充电电压进行补偿。

对于锂离子电池，完全充电电压与安全使用的充电电压有较大的差值，因此本款多功能手机充电器不需要进行温度补偿。

4)充电温度与放电容量
由于充电时的温度不同各种电池的充电效率是不同的。

放电容量表示进行标准的充电后的放电容量。

锂离子电池的电解液几乎不发生分解，充电效率高，在5℃~45℃温度范围内进行充电时容量不会有较大差别。

下面根据锂离子电池的充电特性，结合锂离子电池快速充电状态曲线，如图1所示，对各个状态分别加以说明。

图1中所标示的数据是根据多种市场产品总结得到的较为典型的值。

图1锂离子电池快速充电状态曲线图
2.1.2锂离子电池快速充电状态
1）涓流充电状态
在该状态下，本款多功能手机充电器检测电池电压是否较低，如果是则采用涓流充电，即一个比较小的恒定电流对电池进行充电直至电池电压上升到一个安全值。

恒流充电状态涓流充电后，充电器转入恒流充电状态。

在该状态下，充电电流保持不变的较大的值，通常是涓流充电电流的10倍或更大。

为了缩短充电时间，也可采用更高的速率在恒流充电和涓流充电状态下进行充电。

本款多功能
手机充电器也将连续监控电池的电压和温度，并且可以采用以下两种恒流充电终止法，终止恒流充电。

(1)电池最高电压终止法
当单节锂电池的电压达到4.2 V，恒流充电状态应立即终止。

(2)电池最高温度终止法
在恒流充电过程中，当电池的温度达到60℃时，恒流充电状态应立即终止。

2）恒压充电状态
恒流充电终止后，充电器立即转入恒压充电状态。

在该状态下，充电电压保持恒定。

因为锂离子电池对充电电压精度的要求比较高，单节电池恒压充电电压应在规定值的±1%之间变化，因此要求锂离子电池充电器输出电压有较高的精度。

在恒压充电过程中，本款多功能手机充电器连续监控电池的电压、温度、充电电流和充电时间。

常用的恒压充电终止方法有以下四种：
①电池最高电压:当锂离子电池的电压达到4.2 V时，恒压充电状态自动终止。

②电池最高温度:当锂离子电池的最高温度达到60℃时，恒压充电状态自动终止。

③最长充电时间:为了确保锂离子电池安全充电，除了设定最高电压和最高温度外，还应设置最长恒压充电时间。

在温度和电压检测失败的情况下，可以保证锂电池安全充电。

④最小充电电流:在恒压充电过程中，锂离子电池的充电电流逐渐减小，当充电电流下降到一定数值（通常为恒流充电电流的1/10）时，恒压充电状态自动终止。

3）维护充电状态
电池充足电后，若电池仍插在充电器上，电池会由于自放电而损失电量。

本款多功能手机充电器应以非常小的电流对电池充电或是监测电池电位以备对电池再充电，这种状态称为维护充电状态。

3 充电器的基本设计
3.1工作原理
本款多功能手机充电器对锂离子电池的充电过程分两个阶段进行,首先用恒流充电到4.2V+0.05V,即转入4.2V+(-)0.05V恒压的第二阶段充电,恒压充电电流会随着时间的推移而逐渐降低,待充电电流降到0.1mA时，表明电池已冲到额定容量的93%或者94%，此时即可以为基本充满，如果继续充下去，充电电流会慢慢降到0mA ，电池完全充满。

恒流充电率为0.1C/mA到1.5C/mA。

标准充电率为0.5C/mA，约需2小时可将电池电压（放电到3.0V的电池）充到4.2V，再转入恒压充1小时左右，即可结束充电。

整个充电过程约需3小时，当充电率为105C/mA时，第一阶段的充电时间只约需1/2小时。

(1)本款多功能手机充电器开关电源部分采用抑制振荡型开关电源（如附录1所示），它的简单工作原理是把220V交流电整流滤波成峰值电压300V左右的三角波（滤波电容C1不用），利用稳压器组成电平开关，控制开关管Q1的振荡
的C极反峰电压也较低，因此可以使用与停止。

此开关电源初级电流很小，Q
1
Vceo大于300V的TO-92封装的小型开关管，以缩小体积降低成本。

1）开关电源部分
Q1和开关变压器组成间歇振荡器。

充电器加电后，220V市电经D1半波整流的C极上形成一个300V左右的直流电压，经过变压器初级加到Q1的C 后在Q
1
极，同时该电压还经启动电阻R2为Q
的B极提供一个偏置电压。

由于正反馈作
1
进入饱和期间，开关变压器次级绕组产生的用，Q1的IC迅速上升而饱和，在Q
1
感应电压使D2导通，向负载输出一个约9V左右的直流电压。

开关变压器的反馈
滤波后产生一个与振荡脉冲个数呈正比的直绕组产生的感应脉冲经D3整流、C
2
流电压。

此电压若超过稳压管Z1的稳压值，Z1便导通，此负极性整流电压便加的B极，使其迅速截止。

Q1的截止时间与其输出电压呈反比。

Z1的导通／在Q
1
的导通时截止直接受电网电压和负载的影响：电网电压越低或负载电流越大，Z
1
间越短，Q1的导通时间越长，反之，电网电压越高或负载电流越小，D3的整流
电压越高，Z
1
的导通时间越长，Q1的导通时间越短。

2）充电部分
手机电池残留电压（约3V）经R17、R15分压后，（1.3V）加至IC（AE3102）
③脚，手机电池残留电压同时经R
16
点亮LED1，经LED1稳压后的电压(1.8V)加
至IC②脚，此电压低于IC③脚电压，IC①脚输出低电平。

此低电平使Q
2
导通，
进行充电。

R8的作用是使LED1的稳压值更稳定，LED
1
同时作电源指示。

IC内第Ⅱ运放与④脚的C5组成振荡电路。

由⑦脚输出振荡方波，通过R12
使LED
2
闪烁，指示充电。

随着电池电压上升，当经R17、R15分压后的（③脚）
电压高于LED
1
的稳压（②脚）电压时，IC①脚输出高电平，使Q2截止，并点亮
LED3指示充电结束。

此时，LED
2
熄灭。

D4是防止电池反接损坏电路；R18是过
流保险电阻；R
6
是在充电结束后进行小电流补充之用，说明书要求此时间约为0.5小时。

3)多功能部分
该款多功能手机充电器使用了方便的电池夹，其两个电极可任意分开大小，适应多种手机锂电。

在该款多功能手机充电器的另一个侧面，有一个极性转换开关，只有电池极性与充电极性相符时，测试灯LED1才会点亮。

(2)滤波整流
正如文章中开关电源部分的解释：开关变压器的反馈绕组产生的感应脉冲经
D 3整流、C
2
滤波后产生一个与振荡脉冲个数呈正比的直流电压。

此电压若超过稳
压管Z
1的稳压值，Z
1
便导通，此负极性整流电压便加在Q
1
的B极，使其迅速截止。

Q 1的截止时间与其输出电压呈反比。

Z
1
的导通／截止直接受电网电压和负载的影
响：电网电压越低或负载电流越大，Z
1的导通时间越短，Q
1
的导通时间越长，反
之，电网电压越高或负载电流越小，D
3的整流电压越高，Z
1
的导通时间越长，Q
1
的导通时间越短。

图2是滤波整流的简化图。

如图2滤波整流电路
3.2充电时间
(1)对于便携式电源系统中的充电器进行设计时，首先是决定充电时间。

调查该电源系统不使用的时间，若该时间足够长，采用普通充电方式即可；若时间较短，要采用快速充电方式。

充电时间与充电方式有着密切的关系。

对于锂离子电池采用恒流恒压快速充电方式。

(2)锂离子电池的充电方式
锂离子电池的充电方式基本上采用恒流恒压充电方式。

充电的恒压设定值随负极9活性物质的不同而异。

锂离子电池的容量与充电电压有关，充电电压越高，蓄积的电量也越多，实际上电池的容量增大了。

然而，充电电压增高，电解液进行分解，在负极就会析出金属锂。

为此，充电电压的精度要控制在±1%以内。

由于充电电流不能太大，因此，用快速充电方式在1小时内充满电较困难，可用定时器采用以下的控制方式。

1)总时间的控制方式
每次都以一定时间进行充电，因此，不管放电状态的深浅程度如何都是以这种时间进行充电，单独用这种方式不能进行良好的充电。

可以作为与其他充电控
制备用的并用方式。

考虑到充电电流的大小和电池温度，总的设定时间为3~10小时。

2)电压检测+定时器方式这种方式
是达到设定电压后，。

对于放电量浅的电池充电电压上升快，可比总时间控制方法提早完成充电，定时器设定时间为1~5小时。

3)电流检测+定时器方式
这种方式是达到设定电流后，经过由定时器设定的时间停止充电。

电压检测与电流检测只是检测的电压与电流不同，其考虑与使用方法完全相同。

4)电流检测方式
这是以恒流恒压充电，在恒压范围检测出较低的0.1mA的电流时停止充电的方式，不会发生过充电。

3.3设计注意事项
1）过充电系统设计时最需要注意的问题是防止过充电，即锂离子还原而金属锂析出。

为此，专门对该款多功能手机充电器采取了相应措施。

2）保护电路锂离子电池有过充电的安全性与过放电时的电池劣化问题，这要在电池与负载或与充电器之间增设保护电路。

当电池进入过充电或放电状态时，电池脱离外部电路。

对于2节以上串联的电池组，还需要对每节电池的电压进行监视。

3）该款多功能手机充电器上限电压即使电池中增设了保护电路对电池采取了安全措施，但还希望在充电器方设定上限电压值，当超出通常的充电电压范围电路有输出的双重保护。

4）充电温度范围在使用温度范围以外进行充电时，电池的功能会被破坏。

因此，在温度过高时该款多功能手机充电器会立即采取自动断电措施。

5）避免大电流充电大电流充电时，金属锂要析出，因此，即使在充电初期也必须以0.1C以下的电流充电。