保定市第二中學 周立煌

便攜式充電蓄電一體化充電器設計

保定市第二中學 周立煌

本文為對針對當前市場上用于對手機、平板電腦、照相機等家用電子產(chǎn)品充電器和“充電寶”各自功能單一的現(xiàn)狀，設計一種兼具充電、蓄電功能的多用一體化充電器。本設計對充電、蓄電功能進行了集成，并通過結構設計和元件選擇，實現(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對家用電子產(chǎn)品充電需求，實現(xiàn)資源的綜合有效利用。

充電器；一體化；充電；蓄電

1 引言

當前，手機、平板電腦、數(shù)碼相機等數(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）通過充電器整流、調(diào)壓為Dc 4～5V充電。市場上的自備電源蓄電能力有限、待機時間短，用戶外出時需要攜帶充電器、充電寶等多種設備，不同廠家、不同規(guī)格產(chǎn)品的充電接口規(guī)格不一，難以實現(xiàn)充電寶、充電器的通用化，給用戶帶來諸多不便。而充電器、充電寶等多種充電設備同時使用，其產(chǎn)品淘汰后又形成較多的電子垃圾，由于種種原因，我國對電子產(chǎn)品垃圾難以全面回收，大量電子產(chǎn)品垃圾又帶來相對嚴重的環(huán)境污染。針對上述現(xiàn)狀，設計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，意在實現(xiàn)充電設備的便攜化、集成化和多功能化，減少用戶攜帶多種充電設備的麻煩。

2 設計方案

2.1 設計思路

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，為實現(xiàn)產(chǎn)品便攜和可為多種插口的用電設備充電，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電能進行儲存。如用戶將本產(chǎn)品作為充電器直接通過市電電源對用電器進行充電時，電流經(jīng)充電電路、蓄電電路后，進入輸出插頭充入用電設備蓄電單元；如用戶尚未拔下市電電源插頭但用電設備已充滿，電能將由蓄電電路充入本產(chǎn)品自備的蓄電單元進行存儲；用戶斷開市電電源后如需繼續(xù)為用電設備充電，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

充電電路見圖1，由市電電源220V交流輸入，一端經(jīng)過一個4007半波整流，另一端經(jīng)過一個10歐的保護電阻后，由10uF電容濾波。右邊的4007、4700pF電容、82KΩ電阻，構成一個高壓吸收電路，當開關管13003關斷時，負責吸收線圈上的感應電壓，從而防止高壓加到開關管13003上而導致?lián)舸?3003為開關管(完整的名應該是MJE13003)，耐壓400V，集電極最大電流1.5A，最大集電極功耗為14W，用來控制原邊繞組與電源之間的通、斷。左端的510KΩ為啟動電阻，給開關管提供啟動用的基極電流。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。當取樣電壓大約大于1.4V，即開關管電流大于0.14A時，三極管C945導通，從而將開關管13003的基極電壓拉低，從而集電極電流減小，這樣就限制了開關的電流，防止電流過大而燒毀（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6.2V穩(wěn)壓二極管后，加至開關管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電壓，加到開關管的基極上，以維持振蕩。右邊的次級繞組經(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，同時具備有短路、過載保護電路。

（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整體。18650電池單體有許多不同容量，制作時根據(jù)電池單體容量并聯(lián)電池數(shù)量，組建成充電寶整體電芯容量。

（3）電子導線。從電芯連接到控制電路板的導線，要考慮放電時的大電流承載力。過細的導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，用點焊連接。在電池正極部分鎳片與圓周邊的負極使用絕緣材料以保證安全。

圖2 蓄電電路

3 試驗與分析

3.1 安全可靠性測定

設計者對本裝置電路、蓄電單元進行了可靠性試驗，并對各單元的電壓、電流等相關參數(shù)進行了多次認真測定，在市電電壓200v-250v的不同電壓下，輸出端電壓測定值為5.1v-4.75v，可以保證使用的安全有效。

3.2 待機時間測定

裝置模型經(jīng)過在紅米智能手機、三星智能手機、聯(lián)想平板電腦上測定，測定結果見表1。

表1 裝置待機時間測定結果

4 結語

通過結構設計和元件選擇設計的兼具充電、蓄電功能的多用一體化充電器，實現(xiàn)市電電源（220v、50HzAc）輸入，輸出4.5-5v，可對市場上絕大部分手機、平板電腦等數(shù)碼產(chǎn)品充電，實現(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對家用電子產(chǎn)品充電需求，實現(xiàn)資源的綜合有效利用。

[1]郭光明,王秀華.USB手機充電器的設計[J].電子科技,2008(09): 33-35.

[2]丁慶.手機充電器種類和選購[J].家電檢修技術,2005,16:52-53.

[3]William Hadden.單體鋰離子電池應用充電器IC的選擇[J].電子技術應用,2011(09):7-9.

[4]張冬冬,朱家海.從USB端口充電的鋰離子電池充電電路[J].電子元器件應用,2004,06:39-41

[5]小型鋰離子電池充電器控制集成電路[J].國外電子元器件,2006,03:42.

[6]楊捷.鋰離子電池的特點與使用，現(xiàn)代電視技術[J].2003(05): 93-94.

[7]劉鵬.手機隨身充電寶 小產(chǎn)品大市場[J].現(xiàn)代營銷(創(chuàng)富信息版),2010,03:29.

致謝：本設計是在河北保定第二中學何炬、王敏娟、劉朝陽等老師的精心指導下完成的，在此，對老師的辛勤勞動表示由衷的感謝。

周立煌（2000—），男，河北保定人，河北保定第二中學1506班學生。