0 引言

    隨著現代電子技術的高速發展，手機已成為人們生活中必不可少的一部分，而手機充電器作為手機最為重要的配件^[1]，卻頻頻引發電能浪費及火災等安全事故的發生，因此其性能的好壞一直也是備受矚目的焦點。

    現有的充電器是由小功率開關電源組成的，通過橋式整流，經過電解電容濾波后提供給開關電源控制芯片^[2]。控制芯片產生的高頻PWM脈沖通過高頻變壓器降壓，再經過高頻整流濾波后提供給手機電池充電^[3]。

    現有的手機充電器存在如下問題：

    (1)經過長時間工作后，整流橋、電解電容、開關電源控制芯片老化引起故障，從而導致過流、短路引起火災。特別是人們習慣充電完后未拔出充電器時更為嚴重；

    (2)每次接通電源時電解電容受到很大的浪涌電流沖擊，加快老化速度；

    (3)充完電后未拔出充電器，長期處于待機工作狀態消耗電量，造成電能浪費；

    (4)瞬間過壓的能力差，一旦發生瞬間過壓容易產生元件損壞導致過流、短路引起火災。

    鑒于上述問題提出防火節能型手機充電器，這種充電器利用由場效應管和低功耗單片機組成微功耗智能型電子開關，正常充電時電子開關飽和導通進行充電，當充電結束時自動斷開充電器進入待機狀態，其待機功耗約13 mW，幾乎不耗電，可長期接通電源。一旦充電器故障引起短路、過流，則快速自動斷開，并提示故障。且可吸收浪涌電流，能承受600 V、5 s的瞬時過壓，大大提高了充電器的安全性。

1 現有的各種充電器的輸入電流特性分析

    現有的手機充電器是將220 V交流電經整流濾波后提供給變換器^[4]，因濾波時使用容量大的電容，因此每次接通電源時產生的浪涌電流會沖擊整流橋和濾波電容從而加速老化。

    圖1為對三星、華為、通用手機充電器的實測浪涌電流波形，可見三星充電器的浪涌電流較小約2 A，維持時間約1 ms；通用手機充電器的浪涌電流較大約3.4 A，維持時間約0.2 ms；華為充電器的浪涌電流約2.4 A，維持時間約30 μs。

    以上三種手機充電器中，華為的充電功率最大，正常充電時工作電流最大，為了對比浪涌電流和正常充電時的工作電流，實測了華為充電器在220 V狀態下正常充電時的工作電流波形，如圖2所示。

    可見充電時的工作電流約0.22 A，遠遠小于接通時產生的很大的浪涌電流，說明接通時電流較大但正常工作時電流較小。

2 防火節能型手機充電器的整體框圖和功能

    圖3為防火節能型手機充電器的整體框圖，主要由交流220 V電源、快速限流器、充電用5 V變換器、微功耗降壓電源、5 V/3.3 V變換器、MK6A12單片機及S1組成。

    微功耗降壓電源以低功耗方式給5 V/3.3 V變換器提供電源，為了降低待機功耗，待機狀態下使用3.3 V，正常充電時使用5 V，由單片機來控制。

    為了便于操作，用一個3色LED和單鍵S1操作使用。圖4為操作示意圖，按一下S1 0.3~0.5 s綠色LED亮，此時定時時間為1小時；再按一下S1 0.3~0.5 s黃色LED亮，定時時間為3小時，一旦定時時間到將自動斷電。若想手動關閉電源，按住S1 1~3 s后LED燈滅，此時進入待機狀態。若紅色LED燈亮，說明此時發生故障。

    為了降低功耗，LED指示燈以0.2 s亮0.6 s滅的方式工作。

3 防火節能型手機充電器

3.1 快速限流電路設計

    控制電路如圖5所示，以華為手機充電器為例，其正常充電時工作電流約0.2 A，若設定過流保護點為0.5 A，則能滿足所有充電器的要求。當出現過流、短路電流超過0.5 A時，由Q2組成的硬件電路進行快速限流，再經過單片機分析后停止充電，此時紅色LED閃亮表示故障。

    由Q2、Q3、R₄、R₅、R₆及單片機U1組成快速限流電路。

    采用圖解法確定限流電阻R4。Q2的U_GS和I_D之間的關系應同時滿足式(1)表示的轉移特性關系及式(2)表示的外部特性關系，如圖6所示。

    式(2)中U_A=5 V，由于R₅、R₆遠遠大于R₄，因此R₅、R₆對R₄影響忽略不計。

    可見當限流電流約為0.5 A時R₄=3.3 Ω、U_GS≈3.3 V。當充電器正常工作時只需約0.2 A的電流，此時場效應管工作在B點，U_GS≈4.3 V，此時Q2可提供的電流遠大于1 A，因此Q2處于飽和導通狀態。

    當電路處于限流時R₄兩端的電壓經過R₅、R₆分壓后應得的電壓應大于0.5 V使Q3導通，為此應滿足式(3)的條件。

式中I_D=0.5 A為過流保護點，R₄=3.3 Ω，因此選取標稱值R₅=1 kΩ，R₆=2.2 kΩ。

3.2 超低功耗待機電源設計

    充電器處于待機狀態時，為了實現超待機功耗的目的，設計超低功耗串聯型線性穩壓電源，平時只提供小于50 μA的電流，當LED工作時提供2 mA左右的電流，如圖7所示。

    將220 V交流電壓通過D2進行整流后經R₃限流后利用D3穩壓，由于限流電流很小，D3兩端獲得約為9 V的脈動電壓，此電壓經過Q1驅動后在C₁上產生約為6.5 V的電壓。

    HT1050和HT1033均為低功耗穩壓芯片，這種芯片最大輸入電壓為12 V，靜態電流為2.2 μA，最大輸出電流為30 mA^[5]。5 V、3.3 V電壓切換是利用HT1033來實現的。

    5 V/3.3 V端連接到U1的漏極開路輸出端PB2，上電時U1的PB0引腳的場效應管導通，將短路R₈，因此HT1033輸出為3.3 V。當PB0引腳的場效應管漏極開路時，R₇、R₈對輸出電壓分壓后提供給HT1033的1腳，此時輸出電壓U_x取決于式(4)。

式中U₀=3.3 V是HT1033的輸出電壓，I₀=2.2 μA是HT1033的靜態電流，為了降低功耗，將R₇、R₈的電流限制在10 μA以內，應滿足式(5)的條件。

    根據式(5)可得R₇≥330 kΩ，因此選取標稱值330 kΩ，為得到U_x≈5 V的工作電壓將R₇=330 kΩ代入式(4)可得到R₈=142 kΩ，因此選取標稱值R₈=150 kΩ，得U_x=5.1 V。

3.3 超低功耗控制器的設計

    MK7A23和MK6A12都是一種性能價格比很高的單片機，內含4 MHz的RC振蕩器（可通過外部電阻設定頻率）、WDT及復位電路，工作電壓為2.5~5 V，價格很低廉，功耗低，非常適合于各種工業控制器^[6]。

    表1為MK6A12P的工作頻率、工作電壓與電流之間的關系。可見振蕩頻率為32 kHz、工作電壓為5 V時其工作電流為290 μA，而工作電壓切換至3.3 V時其電流僅為4.3 μA，大大減少了待機功耗。

    如圖5所示電路中，由Y1、C₂、C₃、U₁、R₁、D1、S1組成控制器，Y1使用32.768 kHz的晶振。充電時按一下S1則U1開始定時，并把PB0變成高電平Q2飽和導通，5 V變換器得到電壓開始充電。當充電器發生過流、短路時其脈沖電流超過設定值0.5 A，經由Q2組成的硬件電路進行快速限流，PB1為低電平經過U1檢測后將PB0變成低電平關閉Q2。

3.4 待機功耗計算

    U₂=220 V是交流電有效值，將I₁=4.3 μA、I₀=2.2 μA、U₀=3.3 V代入后可得P≈13 mW，實現了待機功耗小于20 mW的目的。

4 實驗結果分析

    圖8、圖9、圖10為Q2的I_D分別為0.3 A、0.4 A、大于0.5 A時U_DS、I_D、U_R4的實測工作波形。

    當I_D=0.3 A時，U_DS≈0.8 V；當I_D=0.4 A時，U_DS≈1.2 V；當I_D＞0.5 A時，U_DS≈26 V，U_R4≈2 V。可見，當I_D<0.5 A時，Q2幾乎進入飽和狀態；當I_D>0.5 A時，U_R4穩定不變，Q2迅速退出飽和狀態，I_D開始限幅將電流限制在0.5 A以內。

5 結論

    通過實驗證明，這種充電器可以吸收由導通瞬間產生的較大的浪涌電流，而且當充電器出現故障引起短路、過流時，可以提示故障并快速自動保護，有效地防止了火災的發生。

    同時其整機的待機功耗約13 mW，幾乎不耗電，可以長期接通電源使用，還可定時充電，滿足了人們的使用習慣。

參考文獻

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[2] 陶躍，張平華，張進，等.基于52單片機智能手機充電器的應用研究[J].電腦知識與技術，2015，11(26)：202-204.

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[6] 金永鎬，王海月.基于SEPIC變換器的AC寬電壓爆閃式信號燈設計[J].電子技術應用，2016，42(11)：126-129.

作者信息:

尹靖雯，林靖虎，金永鎬

（延邊大學 工學院，吉林 延吉133002）