诺基亚USB手机充电器AC-8c.doc

8诺基亚USB手机充电器AC-8C中山市技师学院 葛中海如图3-13所示为赛尔康技术（深圳）有限公司为诺基亚制造USB手机充电器AC-8C。产品规格：输入AC100240V，50Hz-60Hz&150mA；输出5V600mA。 图3-13 诺基亚USB手机充电器AC-8C如图3-14所示为诺基亚USB手机充电器AC-8C电路原理图。由于充电器的输出功率较小、体积小，所以没有设置共模干扰抑制电路。市电经保险（也叫熔断电阻，兼具电阻和保险丝的双重功能）输入，D5D8桥式整流、与组成型滤波电路；滤波后的电压经变压器M1初级绕组加到开关管T2（13003G）的集电极。是磁阻，抑制差模干扰。图3-14 诺基亚USB手机充电器AC-8C电路原理图满载时，AC110V输入整流滤波后的直流平均电压约为160V，如图3-15所示。若是AC220V输入，则整流滤波后的直流平均电压为AC110V输入的2倍。基准电平CH1档位直流电压平均值整流滤波电压近似于锯齿波 图3-15 AC110V输入整流滤波电压波形1工作原理初始上电时，电阻和给T2提供启动电流，一旦启动工作，断开和系统仍能自激振荡，但断电后不能重新启动，故和称启动电阻。T2导通时，集电极电流由零开始上升，主绕组（1-4）电感励磁储能，感应电压“上正下负”。根据变压器同名端可知，辅助绕组（2-3）感应正极性电压，经阻容振荡电路（、）加到T2基极、加速其导通饱和；次级侧，二极管D51截止。T2截止时，变压器绕组极性反转，辅助绕组形成使T2基极电流减小的正反馈、加速其截止，放电以准备进入下一个振荡周期；次级侧，二极管D51导通，变压器次级释放能量供给负载。在图3-14中，充电时间设定了T2导通的最大脉冲宽度。实际上，在开关电源中，所谓开关管的饱和并非指手册上规定的集电极饱和电流，而是电容充电临近结束时，使加到开关管基极的正反馈电流减小，开关管达到的状态。也就是说，这种饱和是限制下的饱和，使开关管的减小，通过正反馈转入截止状态。辅助绕组电压“上负下正”时，由D2、整流滤波给光耦中的光电晶体管提供电源；当光耦中的光电二极管发光增强，光电晶体管导通电流增大，经电阻加到脉宽调制管T1的基极，分流开关管T2的基极电流，促使其提前导通，占空比减小，输出电压降低。次级侧，二极管D51整流、滤波的电压一路经给光耦（IC51）中的光电二极管供电；二路经稳压二极管D83、D84与并联电阻返回；三路经、输出供给手机或充电宝充电。充电电流的路径：二极管D51负载GND2GND1（返回次级）。2稳压输出一般来说，刚充电时电流较大，并联电阻的压降较大，经电阻使T51导通。此时，光耦中的光电二极管受T51控制，发光最强。因此，光耦中的光电晶体管发射极输出电压最高，反馈控制作用也最强。此时，次级整流输出电压，即电容两端电压最高，等于稳压二极管D83、D84两端的电压与的压降之和。图3-14所示原理图标注的几个电压数值就是这种工作状态下测得的，可见充电电流可达690mA（=69mV/=69mV/0.1）。电池充电后期所需电流减小，并联电阻的压降减小，可能不足以使T51导通，此时，次级整流输出电压，即电容两端电压最高随充电电流而变化，仍然等于稳压二极管D83、D84两端的电压与的压降之和。无论负载状况如何，稳压二极管D83、D84两端的电压均由D82（TL431）决定。根据TL431的工作原理，该电压为=2.5=5V虽与并联（太小），但阻值太大，可忽略不计（去掉该元件对工作无影响）。与串联后并联于TL431的R和K之间，用于频率补偿。由于手机电池及充电宝都不是恒压负载，当其电压低时（比如，电用完时为3.7V）充电电流大，电压高时（比如，即将充满时为4.2V），充电电流小。因此，在稳压输出电路中串联一只阻值很小的电阻。大电流时压降大，电池内部充电管理电路模块两端的电压低，有利于减小其功耗；电池电压升高后小电流充电，此时压降小，有利于对电池充电。3过流保护是过流检测电阻，是一个非常关键的元件，它两端电压与开关管T2发射极电流成正比。当两端电压超过T1发射极死区电压时，T1开始导通、分流T2基极电流。比如，若由于某种原因导致反馈失效，开关管T2导通时间过长、电流过大。T2的发射极输出电流约300mA时在上的压降约为0.66V（=300mA2.2），该电压经与低通滤波使T1导通，分流开关管T2的基极电流，抑制开关管T2输出电流进一步增大。4温度补偿由前述原理分析可知，T51在大电流充电时起控。可以想象，大电流充电时变压器、开关管T2和整流二极管D51都会发出较多热量，若环境温度也高，热量不易散失，则密封塑料壳中的充电器所有元器件都要受到温升的影响，其中，影响最为严重的元件是处于放大状态的晶体管T51。晶体管发射结具有负温度特性，温度升高发射结特性曲线左移；同样的基极电流55时的发射结压降小于25时的发射结压降，如图3-16所示。因此，就会出现这样的工作情形：开始大充电时并联电阻的压降较高，经电阻使T51导通。充电一段时间以后，充电器内部温度升高，由于晶体管发射结的负温度特性，并联电阻的压降降低。若在T51发射结并联负温度系数的电阻，可以弥补这种缺陷。图3-16 晶体管发射结特性曲线的温度特性原理图中NTC51是负温度系数的电阻，常温下约1.75k，与固定电阻串联，构成T51基极电流的分流支路。当温度升高时T51发射结电压降低，NTC51的阻值减小，分流更多的电流，压降增大，的压降基本不变，保持充电电流不因温升而减小。笔者做了2个实验印证：第一个实验是用电烙铁烫T51，由于晶体管发射结的负温度特性，其减小，的压降随之降低，可见T51温升导致充电电流减小。第二个实验是用电烙铁烫NTC51，由于T51发射结压降基本不变，温升导致NTC51阻值减小、所在支路分流增大，的压降增大，所以，的压降升高，可见NTC51温升导致充电电流增大。若T51、NTC51温度同升同降，负温度特性作用正好能相互抵消，则充电电流可以不随温度而变化。另外，简单说明一下其它元件的作用。稳压二极管D83、D83并联于输出端，若TL431失控输出电压过高，D83、D83击穿，稳定输出电压，以免损坏电池。并联于T51发射结、集电结的电容、容量较小。可以认为与组成低通滤波电路，跨接于相位反的两信号之间，相用与频率。与串联后，并联于T51发射结两端，作用不太明显。、与D1构成RCD吸收电路，但因D1串联电阻，使得在开关管T2关断瞬间的尖峰吸收效果大打折扣。5波形测试（1）开关管T2基极和集电极电压波形用数字存储示波器测量开关管T2基极和集电极电压波形，如图3-17（a）所示。CH2振幅约占8格，指示T2集电极脉冲电压幅度：5div50V/div=250VCH1振幅约占1.5格，指示T2基极脉冲电压幅度：1.5div2.0V/div=3.0V （a）满载，开关频率较低用数字存储示波器测量开关管T2基极和集电极电压波形，如图3-17（a）所示。CH2振幅约占8格，指示T2集电极脉冲电压幅度：5div50V/div=250VCH1振幅约占1.5格，指示T2基极脉冲电压幅度：1.5div2.0V/div=3.0V （b）轻载，开关频率较高图3-17 T2基极（CH1）和集电极（CH2）电压波形由图3-17可见，开关管T2的基极、集电极均为高频脉冲电压，在导通时间上为同步关系，在控制关系上二者反相。需要指出的是，无论脉冲上升沿或下降沿均不如它激式开关电源陡峭（参见第4章），这是自激式开关电源的特点。在图3-17中，T2导通期间（）集电极电压为零；T2截止期间（），集电极电压（不计截止瞬间的尖峰脉冲）接近250V。该电压是输入电源整流滤波直流电压与主绕组自感电压之和，因为这期间主绕组感应电压“下正上负”，所以叠加电压远高于输入电源整流滤波电压。阅读资料工程实践中，刚刚接触开关电源的新手往往会犯一个共同的致命错误：拿测试普通电路的方法测开关电源！如图3-18（a）所示为示波器直接测试是开关电源高压侧的原理简图。由于示波器“保护地（G）”与探头地（信号地）在仪器内部直接相连（同时也接机壳），当探头地（信号地）连接到开关电源的“热地”时，一旦接通电源，开关电源的保险管就会立即烧毁。这是因为火线（L）经保险管、整流二极管和探头地（信号地）连接到“保护地”上，而“保护地”和零线（N）通过大地是连在一起的，即电网的火线（L）与零线（N）经过保险管、二极管构成回路，故一定会烧毁保险管（火线和零线对调一样会出现该故障）。如图3-18（b），市电电网经变比为1:1的隔离变压器输出交流电，次级绕组两端没有火线（L）与零线（N）之分，只有电压的相对高低。当探头地连接到开关电源的“热地”时，次级绕组两端均通过相应的整流二极管、探头地连接到“保护地”上，但隔离变压器的初次级绕组均不会被短路，开关电源可以安全工作。当然，如果工作现场没有隔离变压器，可以考虑把示波器中间的“保护地（G）”与插座的接地线断开。不过，当示波器探头地（信号地）连接到开关电源的“热地”时，示波器外壳与市电只隔了一只二极管，所以对人体是危险的。另外，由于示波器“保护地（G）”断开，其内部开关电源产生的共模干扰无泄放通路，可能会起影引起仪器的稳定性和测量精度。（a）不经隔离变压器测试，错误 （b）经隔离变压器测试，正确图3-18 示波器测试开关电源的方法（2）开关管T2基极和发射极电压波形用数字存储示波器测量开关管T2基极和发射极电压波形，如图3-19所示。CH2振幅约占2格，指示T2集电极脉冲电压幅度：2div200mV/div=0.4VCH1振幅约占3格，指示T2基极脉冲电压幅度：3div1.0V/div=3.0V 图3-19 T2基极（CH1）和发射极（CH2）电压波形开关管T2发射极电压是在上的压降，因只能从发射极经流到地，由图3-19可见，发射极电压只能大于或等于零。根据测试的电压峰值约400mV，可以计算出发射极电流峰值约约为182mA（=400mV/2.2）。根据图3-19所示波形还可以计算出开关电源的占空比，方法如下：启用数字存储示波器的“CURSOR”复合按钮功能，测量出开关管T2的导通时间约为6.8us。由于图3-19所示开关管T2的开关频率47.1Hz，则21.2（s）因此，占空比为32.1%（3）辅助绕组和开关管T2基极电压波形用数字存储示波器测量开关管T2基极和辅助绕组的电压波形，如图3-20所示。CH2振幅约占2格，指示T2辅助绕组电压幅度：2div10V/div=20VCH1振幅约占3格，指示T2基极脉冲电压幅度：3div1.0V/div=3.0V 图3-20 T2基极（CH1）和辅助绕组（CH2）电压波形由图3-20可见，开关管T2基极与辅助绕组