电力电子课程设计---手机充电器.doc

1.课程设计题目手机充电器。2.设计内容及要求电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流供电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。通信技术的高速发展促使手机种类众多，也导致手机充电器也是多种多样，本设计设计并制作一套手机通用锂电池的充电器。 充电器的简单工作过程如下： 交流输入电压经电容降压，二极管整流桥整流后变成直流电，经隔离二极管和滤波电容对手机充电，随着充电时间的增长，电池两端的电压也升高，通过分压器将此电压引入基准电压比较器，其中三个比较器带三个指示灯，分别指示充电的状态，当三个灯全亮时，表示充电已满。通过以上的工作过程描述结合生活经验设计手机实用充电器电路。 技术要求：能够顺利为锂电池充电，有必要的显示、保护功能，充电电压4.2v，充电限制电压4.5v。 工作要求：独立设计充电器方案，根据个人的方案，购买所需要的元器件和电路板，独立设计并调试正常，要求总投资不得高于15元。3.设计题目分析从设计题目上可以看出设计的主体要求是将市电变换为符合要求的直流电源，整体上应该有降压、整流、滤波、恒压电路四部分组成。降压电路可以用最简单的变压器完成，将220v电压变为10v左右的低压，为了让优化波形使其更加稳定可采用滤波电容去除高频干扰。手机通用的锂电池充电电压为4.2v，因此需要设计一个恒压源电路。充电电流在一定程度上影响了充电的时间，过高的电流会缩短电池的使用寿命，所以我们还需要一个可靠地恒流源来保证充电的时间和手机的使用寿命。当上述条件都具备时对于不同容量的手机电池充电时间是不一样的，因此需要一个不以时间为参考的充电完成信号，我们可以根据电池两端的电压是否达到标准电压来判断是否充满电。4.方案论证及比较4.1 方案一本方案采用的是现行手机充电器的通用电路，主要是由开关电源和充电电路组成的。电路图如下。图4-1原理图制作成功后该充电器能自动识别电池极性，自动调整输出电流使得电池达到最佳充电状态，可保护电池延长电池寿命。充电饱和时七彩灯会自动熄灭。当接入电源后，通过整流二极管vd1、r1给开关管q1提供启动电流，使q1开始导通，其集电极电流ic在l1中线性增长，在l2中感应出使q1基极为正，发射极为负的正反 馈电压，使q1很快饱和。与此同时，感应电压给c1充电，随着c1充电电压的增高，q1基极电位逐渐变低，致使q1退出饱和区，ic开始减小，在 l2中感应出使q1基极为负、发射极为正的电压，使q1迅速截止，这时二极管vd1导通，高频变压器初级绕组中的储能释放给负载。在vt1截止 时，l2中没有感应电压，直流供电输人电压又经r1给c1反向充电，逐渐提高q1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下 去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器的次级绕组向负载输出所需要的电压，在c4的两端获得9v的直流电，供充电电路工作。 在充电电路中q2与ch（七彩发光二极管）组成充电指示电路。r7与pw（红色二极管）组成电池好坏检测及电源通电指示电路。q4、q5、q6、q7组成自动识别电池极性的电路。 当充电端1接电池的正，端2接电池的负时，充电回路是电源的+、q5（发射极）、q5（集电极）、端1接+ 、q7（饱和）、端2接-；当充电端2接电池的正，端1接电池的负时，充电回路是电源的+、q4（发射极）、q4（集电极）、端2接+、q6（饱和）、端2接-。即可完成自动极性的识别，保证充电回路自动工作。4.2 方案二本方案是前期分析的具体实现，也是比较简单的一种。电路图如下。图4-2 原理图该电路有四部分组成电源输入电路、恒流电路、恒压电路、充电指示电路组成。电源输入电路由电源变压器t、整流桥堆d1，d2，d3，d4和滤波电容c组成。恒压电路由电阻r1、r2、电位器rp1、晶体管v1、精密稳压基准源ic组成。恒流电路由晶体管v2、电阻r3、电位器rp2。充电指示电路由晶体管v3、电阻r4、r5和发光二极管vl组成。交流电220v电压经过变压器t（二次侧电压9v）、整流桥、滤波电容c后，产生8.1v的直流电压。该电压经过恒流电路恒压电路处理后对电池充电。同时v3导通，vl发光。随着电池两极板电压的升高充电电流将逐渐减小。当电池电压到达4.2v时，r1上电压降低使v3截止vl熄灭，提醒用户充电结束。综上所述，为了使设计要求更好地实现，最后选择方案二。5.单元电路设计5.1 整流滤波电路图5-1电源输入部分变压器源边是220v交流电，二次侧电压为9v经过四个二极管组成的整流桥就变为了直流电，de电压为8.1左右，滤波电容是为了滤除交流成分。在实际购买原器件时为了降低成本和焊接方便购买的是集成整流桥堆，规格是2a、50v。5.2 恒压电路在这边部分电路中使用了tl431。tl431是tl、st公司研制开发的并联型三端稳压基准，其突出优点是封装简单（型如三极管）、参数优越（高精度、低温漂）、性价比高（民品1.31.5元/只），是作为电压基准的良好选择。其电压调节范围为2.5v36v。本方案中的接法类似于下图（b）调节电位器rp1就可以调节输出电压，这也正是本方案的一大优点，可以做到电压连续可调，这样不仅可以为手机电池充电还可以作为电源为其他电子芯片、元件供电。图5-2 tl431原理图图5-3 恒压电路bc电压可以被精确的调整到一个值，再经过v2的ce管压降就得到充电电压。5.3 恒流电路图5-4 恒流源流经b点的电流经过三极管v2，1013被放大，最终提供给手机电池。调节rp2可以调节基极电流,由公式 （4.3）就可以由ib调节整个充电电流的大小。5.4充电提示电路图5-5 充电提示电路当充电结束时电池阳极电压接近4.2v，此时r1上的电压降低，使得v3截止，vl熄灭。此时电池并没有充满而是进入恒压充电方式，在恒流充电阶段，电池充到 70% 的总容量时通常需要约 30% 的充电时间，而在恒压阶段用 70% 的充电时间仅能充 30% 的总电池电量。这是由于电池具有内部电阻。电池内部电阻越低，电池充电时间就越短。为了保证电池能够充满可在vl熄灭后继续充电12个小时，当充电电流降至100ma以内时则应停止充电。这使得本方案有了一个缺陷，当二极管灯灭时不能说明电池已经充满，需要特别说明否则一般用户会自然的认为充电结束而致使电池充不满。6.仿真及结果仿真电路使用isis 7 professional仿真软件，仿真结果与设计完全要求一致。实现充电电压4.2v。7.组装调试的内容7.1使用的主要仪器和仪表序号名称、型号、规格数量1直流稳压稳流电源12数字万用表13示波器172调试电路的方法和技巧组装时选用的是11*8cm的pcb电路板，变压器独立放置。一句电路图从左至右从中间到两边依次焊接。由于变压器独立放置所以将变压器安排在最后焊接。为了焊接的方便和减少电线的使用在焊接过程中尽量使用引脚连接，最后只使用了三根导线。为了连接充电器的方便使用了一般万能充都采用的夹板和引针，这样可以很好的固定手机电池。调试分为两部分，电压的调试和电流的调试。首先是调节rp1的电阻值使得充电电压为4.2v再调节rp2的电阻阻值使得充电电流为200ma。调试时将万用表接入夹板两引针再调节相应电阻使各参数达到要求。8.设计电路的特点和方案优缺点8.1本方案特点及存在的问题本次设计制作是结合之前学习积累的实际引用，具有典型性，设计思路简单，易于初学者接受，所用元器件都是常用的，达到了设计任务中的要求可以安全的给手机充电器充电。本方案最大的问题就是在充电结束时没有明确的信号，尽管有二极管指示灯但是不能准确的反应充电的饱和程度，当然这也是本方案简单的一个原因。变压器的体积、重量、价格都是本方案中排名第一的，与方案一中的高频变压器相比差距很大，高频变压器体积小，在价格上与使用的变压器相比相差十倍之多。8.2改进意见及其他设想在自动断电功能方面需要有所改进，先进行恒流充电再进行恒压充电当电流达到饱和时发出提示信号并且自动断电，目标是智能化自动化。9.设计心得在这次的课程设计中可谓收获颇丰，完整一套设计做下来，使我感受最深的一点是理论与实践存在着不小的差异。正所谓实践出真知，这句话真的没错，实践也使我们对知识的掌握更加牢固，使我们对自己的课题做到课外的了解与相关知识范围的扩大。记得自己开始时对自己的课题仅存在课本上的了解，到后来自己学会了两套仿真的软件multisim 与isis 7 professional，还包括制作pcb板的protel 99 se软件，实际上光是这几套软件的熟练的掌握就对自己未来的职业道路产生深远的影响。我想，课程设计仅仅是我们对自己专业走向实践道路的一个开端，今天的一个电路板不仅不会是我们电子设计的终结，相反它将我们引入一个电子创新的世界。人生的每次成功总是伴随着无数默默辛勤的汗水，独立将一个课程设计题目完整地做下来，这对平时缺乏动手能力的我们来说既是一个挑战，也是一次难得的锻炼自我的机会。在查阅广泛的资料又得到了同学的帮助及老师的指导后，课程设计得以圆满完成。课程设计中，考验人最多的是在对自己实际电路的调节上。每次的调节既要做好理论的分析，又要做好实物的检测。在不断地修改方案不足中，我们逐步地缩小了仿真与实际电路的差距。当看着自己手中最后的电路板，一种莫名的亲切感油然而生。我想：不论最后的实物是否完美，只要我们抱着一个认真负责的态度和一颗追求完美的心，在历经一个真实的学习制作之后，我们都是一种成功。我们在课程设计中将所学知识的升华，在实践中逐步完善自我。参 考 文 献1党宏社.电路、电子技术实验与电子实训. m北京:电子工业出版社，20102童诗白.模拟电子技术基础（第四版）. m北京:高等教育出版社，2006 3阎石.数字电子技术基础（第五版）