手機萬能充電器電路原理解析—電路圖天天讀（279）

　　下面以四海通S538型萬能充電器為例，介紹其工作原理。四海通S538型萬能充電器在外觀設(shè)計上比較獨特，面板上采用透明塑料制作的半橢圓形夾子，透明塑料面板上固定有兩個距離可調(diào)節(jié)的不銹鋼簧片作為充電電極。面板的尾部并排有1個測試開關(guān)（極性轉(zhuǎn)換開關(guān)）和4個狀態(tài)指示燈，用戶根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)充電器電極距離和輸出電壓極性，并通過狀態(tài)指示燈可方便看出電池的充電情況。

圖1 S538型萬能充電器電路圖

　　工作原理

　　該充電器電路主要由振蕩電路、充電電路、穩(wěn)壓保護電路等組成，其輸入電壓AC220V、50／60Hz、40mA，輸出電壓DC4．2V、輸出電流在150mA～180mA。在充電之前，先接上待充電池，看充電器面板上的測試指示燈TEST是否亮。若亮，表示極性正確，可以接通電源充電；否則，說明電池的極性和充電器輸出電壓的極性是相反的，這時需要按一下極性轉(zhuǎn)換開關(guān)AN1（測試鍵）才行。具體電路原理如下。

　　振蕩電路

　　該電路主要由三極管VT2及開關(guān)變壓器T1等組成。接通電源后，交流220V經(jīng)二極管VD2半波整流，形成100V左右的直流電壓。該電壓經(jīng)開關(guān)變壓器T 1-1初級繞組加到了三極管VT2的c極，同時該電壓經(jīng)啟動電阻R4為VT2的b極提供一個正向偏置電壓，使VT2導通。此時，三極管VT2和開關(guān)變壓器T1組成的間歇振蕩電路開始工作，開關(guān)變壓器T1-1初級繞組中有電流通過。由于正反饋作用，在變壓器T 1-2繞組感應(yīng)的電壓通過反饋電阻R1和電容C1加到VT2的b極，使三極管VT2的b極導通電流加大，迅速進人飽和區(qū)。隨著電容C1兩端電壓不斷升高，VT1的b極電壓逐漸降低，使三極管VT2逐漸退出飽和區(qū)，其集電極電流開始減少，變壓器T 1-1初級繞組中產(chǎn)生的磁通量也開始減少。在變壓器T 1-2繞組感應(yīng)的反向電壓，使VT2迅速截止，完成一個振蕩周期。在VT2進入截止期間，變壓器T1-3繞組就感應(yīng)出一個5．5V左右的交流電壓，經(jīng)VD3整流為直流電壓，作為后級的充電電壓。

　　充電電路

　　該電路主要由一塊軟塑封集成塊IC1（YLT539）和三極管VT3等組成。從變壓器T1-3繞組感應(yīng)出的交流電壓5．5V經(jīng)二極管VD3整流、電容C3濾波后，輸出一個直流8．5V左右電壓（空載時），該電壓一部分加到三極管VT3的e極；另一部分送到軟塑封集成塊IC1（YLT539）的1腳，為其提供工作電源。集成塊IC1有了工作電源后開始啟動工作，在其8腳輸出低電平充電脈沖，使三極管VT3導通，直流8．5V電壓開始向電池E充電。

　　當待充電池E電壓低于4．2V時，該電壓經(jīng)取樣電阻R11、R12分壓后，加到集成塊IC1的6腳上，該電壓低于集成塊IC1內(nèi)部參考電壓越多，集成塊IC1的8腳輸出的電平越低，三極管VT3的b極電位也越低，其導通量越大，直流電壓8．5V經(jīng)極性轉(zhuǎn)換開關(guān)S1向電池E快速充電。由于集成塊IC1的2、3、4腳和電容C4共同組成振蕩諧振電路，其2腳輸出的振蕩脈沖經(jīng)電阻R16送至充電指示燈LED1（綠）的正極，其負極接到集成塊IC1的8腳。在電池剛接人電路時，集成塊IC1的8腳輸出的電平越低，充電指示燈LED1閃爍發(fā)光強。隨著充電時間延長，電池所充的電壓慢慢升高，集成塊IC1的8腳輸出電壓慢慢升高，充電指示燈LED1閃爍發(fā)光逐漸變?nèi)酢?/p>

　　當電池E慢慢充到4．2V左右時，集成塊IC1的6腳電位也達到其內(nèi)部的參考電壓1．8V。此時，集成塊IC1內(nèi)部電路動作，使其8腳電壓輸出高電平，三極管VT3截止，充電指示燈LED1不再閃爍發(fā)光而熄滅，充滿指示燈LED2（綠）由滅變亮。

　　穩(wěn)壓保護電路

　　該電路主要由三極管VT1、穩(wěn)壓二極管VDZ1等組成。

　　過壓保護：當輸出電壓升高時，在變壓器T 1-2反饋繞組端感應(yīng)的電壓就會升高，則電容C2所充電壓升高。當電容C2兩端電壓超過穩(wěn)壓二極管VDZ1的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓二極管VDZ1擊穿導通，三極管VT2的基極電壓拉低，使其導通時間縮短或迅速截止，經(jīng)開關(guān)變壓器T1耦合后，使次級輸出電壓降低。反之，使輸出電壓升高，從而確保輸出電壓穩(wěn)定。

　　過流保護：在接通電源瞬間或當某種原因使三極管VT2的電流過大時，在R5、R6上的壓降就大，使過流保護管VT1導通，VT2截止，從而有效防止開關(guān)管VT1因沖擊電流過大而損壞。同時電阻R6上的壓降，使電容C2兩端電壓升高，此后過流保護過程與穩(wěn)壓原理相同，這里不再重復(fù)。三極管VT1是過流保護管，R5、R6是VT2的過流取樣保護電阻。

圖2 萬能充電路圖

　　絕大部分手機充電器都有充滿自停功能，但其實現(xiàn)的方式不同導致其充電效果不同。由于充電電流一般較大，所以在電池充滿后如不及時停止會使電池發(fā)燙，過度的過充會嚴重損害電池壽命。設(shè)計比較科學的充電器，可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確地結(jié)束充電工作。

　　高頻開關(guān)電源技術(shù)

　　高頻開關(guān)電源電路一般主要包括以下幾部分：

　　抗干擾電路（EMI）：由一個線圈和兩個電容組成，通常有兩級EMI。功能是濾除由電網(wǎng)進來的各種干擾信號，防止電源開關(guān)電路形成的高頻擾竄電網(wǎng)。

　　PFC電路：PFC（Power Factor Correction）即“功率因子校正”，主要用來提高電子產(chǎn)品對電能的利用效率。開關(guān)電源采用傳統(tǒng)的橋式整流、電容濾波電路會使AC輸入電流產(chǎn)生嚴重的波形畸變，向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，因此網(wǎng)側(cè)的功率因子不高，僅有0.6左右，并對電網(wǎng)和其它電氣設(shè)備造成嚴重諧波污染與干擾。

　　整流濾波電路：高壓整流濾波電路由一個全橋（有些簡易型的采用半波整流）和高壓電解電容組成。把220V交流市電轉(zhuǎn)換成300V直流電。低壓整流濾波電路由二極管和電解電容組成。

　　開關(guān)電路：一般包含精密穩(wěn)壓、PWM 控制、開關(guān)管、驅(qū)動變壓器。

　　保護電路：好的充電器設(shè)計一般都包含各種保護功能，如輸入過壓保護、輸入過流保護、輸出過流保護、輸出過壓保護、輸出短路保護、過溫保護等。

　　簡易自激式開關(guān)電源充電器電路

　　下圖為一款NOKIA手機通用充電器的電路。主要由開關(guān)電源、基準電壓、充電控制、放電控制和充電指示等電路組成。該型手機充電器的電路非常簡單，實為一自激式開關(guān)電源，全部采用分立器件組成，成本低廉。

圖3 手機通用充電器的電路

　　AC220V電壓經(jīng)D3半波整流、C1濾波后得到約+300V電壓，一路經(jīng)開關(guān)變壓器T初級繞組L1加到開關(guān)管Q2 c極，另一路經(jīng)啟動電阻R3加到Q2 b極，Q2進入微導通狀態(tài)，L1中產(chǎn)生上正下負的感應(yīng)電動勢，則L2中產(chǎn)生上負下正的感應(yīng)電動勢。L2中的感應(yīng)電動勢經(jīng)R8、C2正回饋至Q2 b極，Q2迅速進入飽和狀態(tài)。在Q2飽和期間，由于L1中電流近似線性增加，則L2中產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)電動勢。此電動勢經(jīng)R8、R6、Q2的b-e結(jié)給C2充電，隨著C2的充電，Q2 b極電壓逐漸下降，當下降至某值時，Q2退出飽和狀態(tài)，流過L1中的電流減小，L1、L2中感應(yīng)電動勢極性反轉(zhuǎn)，在R8、C2的正回饋作用下，Q2迅速由飽和狀態(tài)退至截止狀態(tài)。這時，+300V 電壓經(jīng)R3、R8、L2、R16對C2反向充電，C2右端電位逐漸上升，當升至一定值時，在R3的作用下，Q2再次導通，重復(fù)上述過程，如此周而復(fù)始，形成自激振蕩。在Q2導通期間，L3中的感應(yīng)電動勢極性為上負下正，D7截止；在Q2截止期間，L3中的感應(yīng)電動勢極性為上正下負，D7導通，向外供電。

　　圖中，VD1、Q1等組件組成穩(wěn)壓電壓。若輸出電壓過高，則L2繞組的感應(yīng)電壓也將升高，D1整流、C4濾波所得電壓升高。由于VD1兩端始終保持5.6V的穩(wěn)壓值，則Q1 b極電壓升高，Q1導通程序加深，即對Q2 b極電流的分流作用增強，Q2提前截止，輸出電壓下降，若輸出電壓降低，其穩(wěn)壓控制過程與上述相反。

　　另外，R6、R4、Q1組成過流保護電路。若流過Q2的電流過大時，R6上的壓降增加，Q1導通，Q2截止，以防止Q2過流損壞。

　　適用于多種電池的充電器電路

　　接下來介紹一款MOTO手機旅行充電器。該充電器具有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換開關(guān)，并具有放電功能。在150～250V、40mA的交流市電輸入時，可輸出300±50mA的直流電流。

圖4 MOTO手機旅行充電器電路

　　220V市電經(jīng)VD1～VD4橋式整流后在V2的c腳上形成一個300V左右的直流電壓。由V2和開關(guān)變壓器組成間歇振蕩器。開機后，300V直流電壓經(jīng)過變壓器初級加到V2的c腳，同時該電壓還經(jīng)啟動電阻R2為V2的b極提供一個偏置電壓。由于正回饋作用，V2 Ic迅速上升而飽和，在V2進入截止期間，開關(guān)變壓器次級繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使VD7導通，向負載輸出一個9V左右的直流電壓。開關(guān)變壓器的回饋繞組產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖經(jīng)VD5整流、C1濾波后產(chǎn)生一個與振蕩脈沖個數(shù)呈正比的直流電壓。此電壓若超過穩(wěn)壓管VD17的穩(wěn)壓值，VD17便導通，此負極性整流電壓便加在V2的b極，使其迅速截止。V2的截止時間與其輸出電壓呈反比。

　　VD17的導通／截止直接受電網(wǎng)電壓和負載的影響。電網(wǎng)電壓越低或負載電流越大，VD17的導通時間越短，V2的導通時間越長，反之，電網(wǎng)電壓越高或負載電流越小，VD5的整流電壓越高，VD17的導通時間越長，V2的導通時間越短。V1是過流保護管，R5是V2 Ie的取樣電阻。當V2 Ie過大時，R5上的電壓降使V1導通，V2截止，可有效消除開機瞬間的沖擊電流，同時對VD17的控制功能也是一種補償。VD17以電壓取樣來控制V2的振蕩時間，而V1是以電流取樣來控制V2振蕩時間的。

　　如果是為鎳鎘、鎳氫電池充電，由于這類電池存在一定的記憶效應(yīng)，需不定時對其進行放電。SW1是鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換開關(guān)。SW1與精密基準電源SL431為運放LM324⑨提供兩個不同的精密基準源，由SW1切換。在給鎳鎘、鎳氫電池充電時，LM324⑨腳的基準電壓約0．09V（空載）；在給鋰離子電池充電時，LM324⑨腳的基準電壓約為0．08V（空載），這種設(shè)計是由這兩種類型電池特有的化學特性決定的。按下SW2，V5基極瞬間得一低電平而導通，可充電池上的殘余電壓通過V5的ec極在R17上放電，同時放電指示燈VD14點亮。在按下SW2后會隨即釋放，這時可充電池上的殘余電壓通過R16、R13分壓，C9濾波后為V4的b極提供一個高電平，V4導通，這相當于短接SW2。隨著放電時間的延長，可充電池上的殘余電壓也越來越低，當V4基極上的電壓不能維持其繼續(xù)導通時，V4截止，放電終止，充電器隨即轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)。

　　由于鋰電不存在記憶效應(yīng)，當電池低于3V時便不能開機，其殘余電壓經(jīng)電阻R40、R41分壓后得到2.53V送入運算放大器的同相端③、⑤、⑩腳，由于LM324⑨腳電壓在負載下始終為2.66V，因此⑧腳輸出低電平，V3導通，＋9V電壓通過V3 ec極、VD8向可充電池充電。IC1 ｄ在電容C6的作用下，{14}腳輸出的是脈沖信號，由于IC1⑧腳為低電平，因此VD12處于閃爍狀態(tài)，以指示電池正在充電，對應(yīng)容量為20%。隨著充電時間的延長，可充電池上的電壓逐漸上升。當R40、R41的分壓值約等于2．58V時，即IC1③腳等于2．58V時，IC1②腳經(jīng)電阻分壓后得2．57V，其①腳輸出高電平（由于在充電時，IC1⑨腳電壓始終是2．66V，V6導通；反之在空載時，IC1⑨腳為0．08V，V6截止），VD10、VD11點亮，對應(yīng)指示容量為40%、60%。當R40、R41的分壓值上升到2．63V時，即IC1⑤腳等于2．63V，其⑥腳經(jīng)電阻分壓后得2．63V，⑦腳輸出高電平，VD9點亮，對應(yīng)充電容量為80%。只有IC1⑩腳電壓≥2．66V時，⑧腳才輸出高電平，VD13點亮，對應(yīng)充電容量為100%。即使VD13點亮時，VD12仍處于閃爍狀態(tài)，這表示電池仍未達到完全飽和。只有IC1⑧腳電壓＞6．5V時，VD12才逐漸熄滅，表示電池完全充至飽和。

　　VD16在電路中起過充、過流保護作用，VD8起反向保護作用，避免充電器斷電后，電池反向放電。

　　采用PWM專用芯片的充電器電路

　　比較新型的旅行充電器設(shè)計，多采用內(nèi)置高壓MOSFET的PWM控制器專用芯片。典型的如SD4840，內(nèi)部框圖如下。

圖5 SD4840內(nèi)部框圖

　　該芯片專為小型開關(guān)電源而設(shè)計，電路待機功耗低，啟動電流低。在待機模式下，電路進入打嗝模式，從而有效地降低電路的待機功耗。電路內(nèi)部集成了各種異常狀態(tài)保護功能，包括欠壓鎖定、過壓保護、脈沖前沿消隱、過流保護和過溫保護等功能。在電路發(fā)生保護后，電路可以不斷自動重啟，直到系統(tǒng)正常為止。

　　使用SD4840芯片增加少量的外圍元器件，即可很容易設(shè)計出性能和功能都不錯的手機充電器電路，效率和可靠性都有保證。如上圖是一款手機充電器外型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部電路如下圖所示。

圖6 SD4840內(nèi)部電路圖

　　編輯點評：本文介紹了手機萬能充電器的電路原理圖，簡易自激式開關(guān)電源充電器電路主要由開關(guān)電源、基準電壓、充電控制、放電控制和充電指示等電路組成；MOTO手機旅行充電器，該充電器具有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換開關(guān)，并具有放電功能；采用PWM專用芯片的充電器電路，比較新型的旅行充電器設(shè)計，多采用內(nèi)置高壓MOSFET的PWM控制器專用芯片。
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