保定市第二中學(xué) 周立煌

便攜式充電蓄電一體化充電器設(shè)計(jì)

保定市第二中學(xué) 周立煌

本文為對(duì)針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上用于對(duì)手機(jī)、平板電腦、照相機(jī)等家用電子產(chǎn)品充電器和“充電寶”各自功能單一的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種兼具充電、蓄電功能的多用一體化充電器。本設(shè)計(jì)對(duì)充電、蓄電功能進(jìn)行了集成，并通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和元件選擇，實(shí)現(xiàn)裝置的便攜化、通用化和多功能化，以滿足用戶居家和出門時(shí)對(duì)家用電子產(chǎn)品充電需求，實(shí)現(xiàn)資源的綜合有效利用。

充電器；一體化；充電；蓄電

1 引言

當(dāng)前，手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品日益普及，但絕大多數(shù)產(chǎn)品使用市電電源（Ac 220V、50Hz）通過(guò)充電器整流、調(diào)壓為Dc 4～5V充電。市場(chǎng)上的自備電源蓄電能力有限、待機(jī)時(shí)間短，用戶外出時(shí)需要攜帶充電器、充電寶等多種設(shè)備，不同廠家、不同規(guī)格產(chǎn)品的充電接口規(guī)格不一，難以實(shí)現(xiàn)充電寶、充電器的通用化，給用戶帶來(lái)諸多不便。而充電器、充電寶等多種充電設(shè)備同時(shí)使用，其產(chǎn)品淘汰后又形成較多的電子垃圾，由于種種原因，我國(guó)對(duì)電子產(chǎn)品垃圾難以全面回收，大量電子產(chǎn)品垃圾又帶來(lái)相對(duì)嚴(yán)重的環(huán)境污染。針對(duì)上述現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種兼具充電器和充電寶二者功能的、便攜、可為多種用電器充電的一體化充電器，意在實(shí)現(xiàn)充電設(shè)備的便攜化、集成化和多功能化，減少用戶攜帶多種充電設(shè)備的麻煩。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

本產(chǎn)品主要由充電電路和蓄電電路及蓄電單元組成，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品便攜和可為多種插口的用電設(shè)備充電，在輸入端備有伸縮插頭，在輸出端備有多用輸出插頭。輸入電源為市電電源（220V、50Hz交流電），經(jīng)充電電路整流變壓后輸出到蓄電電路（5V直流電），蓄電電路連接蓄電單元對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存。如用戶將本產(chǎn)品作為充電器直接通過(guò)市電電源對(duì)用電器進(jìn)行充電時(shí)，電流經(jīng)充電電路、蓄電電路后，進(jìn)入輸出插頭充入用電設(shè)備蓄電單元；如用戶尚未拔下市電電源插頭但用電設(shè)備已充滿，電能將由蓄電電路充入本產(chǎn)品自備的蓄電單元進(jìn)行存儲(chǔ)；用戶斷開(kāi)市電電源后如需繼續(xù)為用電設(shè)備充電，則本產(chǎn)品的蓄電單元放電，電流經(jīng)蓄電電路、輸出插頭充入用電設(shè)備。

2.2 裝置組成

2.2.1 充電模塊組成

圖1 充電電路圖

充電電路見(jiàn)圖1，由市電電源220V交流輸入，一端經(jīng)過(guò)一個(gè)4007半波整流，另一端經(jīng)過(guò)一個(gè)10歐的保護(hù)電阻后，由10uF電容濾波。右邊的4007、4700pF電容、82KΩ電阻，構(gòu)成一個(gè)高壓吸收電路，當(dāng)開(kāi)關(guān)管13003關(guān)斷時(shí)，負(fù)責(zé)吸收線圈上的感應(yīng)電壓，從而防止高壓加到開(kāi)關(guān)管13003上而導(dǎo)致?lián)舸?3003為開(kāi)關(guān)管(完整的名應(yīng)該是MJE13003)，耐壓400V，集電極最大電流1.5A，最大集電極功耗為14W，用來(lái)控制原邊繞組與電源之間的通、斷。左端的510KΩ為啟動(dòng)電阻，給開(kāi)關(guān)管提供啟動(dòng)用的基極電流。13003下方的10Ω電阻為電流取樣電阻，電流經(jīng)取樣后變成電壓（其值為10*I），這電壓經(jīng)二極管4148后，加至三極管C945的基極上。當(dāng)取樣電壓大約大于1.4V，即開(kāi)關(guān)管電流大于0.14A時(shí)，三極管C945導(dǎo)通，從而將開(kāi)關(guān)管13003的基極電壓拉低，從而集電極電流減小，這樣就限制了開(kāi)關(guān)的電流，防止電流過(guò)大而燒毀（最大電流140mA左右）。變壓器左下方的繞組（取樣繞組）的感應(yīng)電壓經(jīng)整流二極管4148整流，22uF電容濾波后形成取樣電壓。取樣電壓經(jīng)過(guò)6.2V穩(wěn)壓二極管后，加至開(kāi)關(guān)管13003的基極。下方的1KΩ電阻跟串聯(lián)的2700pF電容，形成正反饋支路，從取樣繞組中取出感應(yīng)電壓，加到開(kāi)關(guān)管的基極上，以維持振蕩。右邊的次級(jí)繞組經(jīng)二極管RF93整流，220uF電容濾波后輸出5-6V的電壓。二極管RF93為快速回復(fù)管，鐵心為高頻鐵氧體磁芯，具有高的電阻率，以減小渦流。

2.2.2 蓄電模塊的組成

（1）電路。蓄電電路如圖2，充電輸入是5-6V直流，輸出是反向的，將電芯平均7V的工作電壓，升壓到5V的輸出工作電壓。輸出電路是5V定電壓，同時(shí)具備有短路、過(guò)載保護(hù)電路。

（2）電芯。主要是18650尺寸的圓柱形鋰電池。鋰聚合物電池是一個(gè)整體。18650電池單體有許多不同容量，制作時(shí)根據(jù)電池單體容量并聯(lián)電池?cái)?shù)量，組建成充電寶整體電芯容量。

（3）電子導(dǎo)線。從電芯連接到控制電路板的導(dǎo)線，要考慮放電時(shí)的大電流承載力。過(guò)細(xì)的導(dǎo)線除了使用壽命變短外，有可能意外引火。18650電芯用鎳片或鍍鎳鐵片并聯(lián)單體電池，用點(diǎn)焊連接。在電池正極部分鎳片與圓周邊的負(fù)極使用絕緣材料以保證安全。

圖2 蓄電電路

3 試驗(yàn)與分析

3.1 安全可靠性測(cè)定

設(shè)計(jì)者對(duì)本裝置電路、蓄電單元進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，并對(duì)各單元的電壓、電流等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了多次認(rèn)真測(cè)定，在市電電壓200v-250v的不同電壓下，輸出端電壓測(cè)定值為5.1v-4.75v，可以保證使用的安全有效。

3.2 待機(jī)時(shí)間測(cè)定

裝置模型經(jīng)過(guò)在紅米智能手機(jī)、三星智能手機(jī)、聯(lián)想平板電腦上測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 裝置待機(jī)時(shí)間測(cè)定結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和元件選擇設(shè)計(jì)的兼具充電、蓄電功能的多用一體化充電器，實(shí)現(xiàn)市電電源（220v、50HzAc）輸入，輸出4.5-5v，可對(duì)市場(chǎng)上絕大部分手機(jī)、平板電腦等數(shù)碼產(chǎn)品充電，實(shí)現(xiàn)裝置的便攜化、通用化和多功能化，滿足了用戶居家和出門時(shí)對(duì)家用電子產(chǎn)品充電需求，實(shí)現(xiàn)資源的綜合有效利用。

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致謝：本設(shè)計(jì)是在河北保定第二中學(xué)何炬、王敏娟、劉朝陽(yáng)等老師的精心指導(dǎo)下完成的，在此，對(duì)老師的辛勤勞動(dòng)表示由衷的感謝。

周立煌（2000—），男，河北保定人，河北保定第二中學(xué)1506班學(xué)生。