手机恒流充电器的设计及应用

翟亚军

摘 要：众所周知，手机处理器正在以摩尔定律的速度前进着，早先的单核双核已经进化到了如今的八核十核。相比于飞速发展的手机硬件性能，电池技术的进步可用"龟速"来形容也不夸张，成为提升用户体验的瓶颈之一。如今手机厂商解决续航的办法无外乎两种：一是直接使用大容量电池，二是使用快速充电技术，相较于前者的"简单粗暴"，后者的实用性显然更高。

关键词：手机恒流充电器；安全；高效；快速；

引言：

电池供电设备是我们日常生活的重要组成部分，这些设备的充电负担比以往任何时候都更加受到重视。在过去几年中，出现了许多解决充电时间较长的新方法，使用户能够在几分钟内完成充电而不再是几个小时。

一、电池充电的阶段

电池在充电时通常经历两个阶段：恒定电流（CC）和恒定电压（CV）。图1所示为4.2V锂离子（Li-ion）电池的典型充电曲线。当大部分能量从充电器传输到电池时，CC大致用于充电的前67%时间。在剩余充电时间的最后33%内，则是恒定电压，以充分充电并保持电充满。考虑到放电电流，并保持电池电压完全充电，一些充电器在CV期间泵送小电流（也称为涓流充电）。

后一段描述了一种典型的充电方案，握手次数不多，充电率正常。最新推出的方法是通过在CC阶段向电池提供更多能量以最大化充电时间。这些方法使用专利充电算法或采用主流标准，比如USB供电可编程电源（PPS）标准。壁式充电器和设备都可进行连续握手，智能传达电池的需求并使充电效率最大化。

两种主要的快速充电方式分别是高电压和低电流（传统方法）、高电流和低电压（新主流趋势）。第一种方法使用现有的充电线，并将电流限制在约2A，同时将电压提高到15V。该方法的问题是设备侧电压转换阶段的散热高，从而导致电池寿命缩短，可转移到电池的最大允许能量减小。

第二種方法使用接近电池电压的电压，以及可以直接流向电池的较高电流。这种方法通常被称为直充或闪充。该方法允许在较低温度下实现更高的充电率，因为器件侧无电压转换。然而，闪充需要特殊的充电线来实现更高的电流流动。这个想法是尝试以尽可能接近最大允许速率的速率对电池充电，以最小化充电时间。

考虑到闪充的冷却器温度曲线；它越来越受欢迎，大多数现有标准都采用它。精确的电流控制回路是必要的，用以实现更快的充电时间，并可在其它模块（电池充电器和燃油表已使用类似模块）之上添加额外保护层。虽然您可以集成电流检测功能，但是很难匹配达到专用电流检测解决方案使用小分流电阻最大限度减少了散热而提供的精度水平，也很难匹配达到监控高边电流的能力。

TI提供各种适用于闪充的专用电流传感器。这些解决方案包括INA210系列，其可在较宽的动态范围内提供极好的精度；INA199具有精度和成本的绝佳组合；和新型INA181系列，它在带宽、精度和价格方面提供最佳价值。在这个应用中，INA181较宽的350kHz闭环带宽使得能够检测到CC信号的快速波纹——出于电池保护和安全的需要，它所包含的信息可用于最大化CC，并通过最小化保护带来实现。

总而言之，当今快速充电方法的主要局限是散热靠近电池，这限制了所能传送的最大允许能量，从而限制了充电时间最小化。此外，高温有引起安全问题和电池寿命降低的担忧。闪充发展潜力很大，因为它允许在相对较冷的温度下进行高水平的能量传递，同时最大化充电效率并最小化充电时间。实现这种高效率需要精确的电流控制回路，这通过专用电流传感器更好地实现。

二、全自动断电手机充电器设计方案

1.较现有断电充电器而言，本产品的优点在于不仅能够在充满电的情况下自动断电，而且在人为拔掉手机的时候也能自动断电，实现自动断电

工作原理：将充电器与手机、插座连接后，电压通过电阻调整，以一较小值进入电压比较器，输出一个额定值，是手机正常充电。当手机充满电时，有一个大于另一端电压进入电压比较器，输出0V，此时继电器吸和衔铁，使电路断开，实现自动断电。

2. 硬件组成

2.1继电器

使用微型继电器实现电路通断控制。当未充满电时，上方衔铁吸合，手机正常充电；当充电器充满电时，上方衔铁断开，使电路瞬间断开，实现自动断电。

2.2电压比较器

使用比较电压比较器实现所需电压输出。电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小（用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系）：

当“+”输入端电压高于“-”输入端时，电压比较器输出为高电平；

当“+”输入端电压低于“-”输入端时，电压比较器输出为低电平。

2.3二极管

电路多次运用到了二极管防止电流回流，而其各自的功能也不相同。

（1）采用1N4007型号二极管。

（2）作用：1.当手机充满电后，利用二极管单向导通的性能，防止电流逆流。（2）当手机电池正负极反接时，可以保护电池，延长使用寿命。

（3）采用IN4148，是一种小型高速开关二极管，开关比较迅速，广泛用于信号频率较高的电路进行单向导通隔离，通讯、电脑板、电视机电路及工业控制电路中常用。

2.4电容

使用22u/10V电容控制继电器动作的稳定。电容可以在给定电位差下的电荷储藏量，当手机未充满时，电容贮存电荷；当电池将要充满时，电容放出电荷，是电路电流稳定，继电器不会因电流不稳定而使衔铁上下摆动，利于实现自动断电。

2.5电阻（R9/10K）

此处使用10千欧的电阻与比较器并联，防止继电器因电流不稳定而使衔铁上下摆动，有利于实现自动断电。

2.6复位开关

为了减少用户的麻烦，选用复位开关（SW-PB），以实现自动回复。其原理如下所述：按下开关一瞬间，使电路瞬间导通，当放开开关时，开关与电路断开，达到电路瞬时接通，使之正常工作。

使用说明

（1）请总是在电源适配器周围留出空间，不要在空气流通不畅的地方使用电源适配器。

（2）连接或中断电源适配器时，请总是抓住电源适配器的两侧，请勿让手指碰到插头的金属部分。

（3）在将USB电缆连接至电源适配器之前，确保电源适配器的USB端口中没有异物。

（4）电源适配器是高压器件，无论什么原因都不应该拆开它，即使在电源已关闭时也不可以。

参考文献：

[1]小功率超级电容独立电源的研究与设计[D]. 奚勇.昆明理工大学 2014

[2]基于超级电容的双向变换能量存储系统的研究[D]. 佟德军.哈尔滨工业大学 2012

[3]超级电容荷电状态计算方法的研究[D]. 郝国亮.华北电力大学 2012