学士学位论文usb充电器的设计.docx
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学士学位论文usb充电器的设计
湖北轻工职业技术学院
毕业设计（论文）
题目USB充电器的设计
系部信息工程系
专业电子信息工程技术
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
USB充电器的设计
设计（论文）主要内容：
1.介绍USB充电器的背景。
2.总结充电器的概念和特性。
3.描述USB充电器设计方法。
4.实现电路。
从硬件电路上来完成USB充电器的设计。
5.对设计做整体概述和分析。
设计过程中遇到的问题及解决办法、课程设计过程体会、创新点、新颖性、应用价值等。
要求完成的主要任务:
本课题要求完成的主要任务是设计USB充电器，实现对交流信号的转换，在交流信号波动时保证输出直流信号的稳定，并且要考虑到散热的问题。
指导教师签名：
教研室主任签名：
湖北轻工职业技术学院
毕业设计（论文）开题报告
题目USB充电器的设计
系部信息工程系
专业电子信息工程技术
班级09电信班
姓名杨小莉
学号0903021132
指导教师赵欣
2012年3月13日
1、选题的依据及意义
USB充电器在各个领域用途广泛，特别是在生活领域被广泛用于MP3、MP4、手机、相机等常见电器。
USB充电器通常指的是一种将交流电转换为低压直流电的装置。
充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。
在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景。
2、国内外研究概况及发展趋势
在2006年12月14日为了统一手机充电器接口，信产部就颁布了《移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法》。
在接口方面参照了通用串行总线（USB）类型A系列接口规范，并将统一的连接接口设在充电器一侧。
新标准的执行将降低消费成本，节约社会资源，减少电子废弃物，避免电子产品对环境的二次污染。
这样将给消费者带来很多的方便：
不管更换什么样的手机，只要有一个USB充电器就可以了，使USB充电器更加广泛化。
《2011-2015年中国充电器市场竞争格局与未来前景预测报告》首先介绍了国际充电器行业市场运营态势、中国充电器行业发展环境等，接着分析了中国充电器产业运行的现状，然后介绍了中国充电器行业市场竞争格局。
随后，报告对中国充电器做了重点企业经营状况分析，最后分析了中国充电器行业运行前景与投资预测。
其中一个发展趋势就是加大充电器输出电流、缩短充电时间。
三、研究内容及实验方案
此设计将从以下方面来研究：
1、USB充电器的概念、特性、背景
2、USB充电器工作原理、设计思路
3、USB充电器工作流程
4、所用芯片介绍
5、对整个电路划分模块进行简介
6、产品PCB设计
7、产品设计的新颖性
8、设计过程中遇到的问题及解决办法
4、目标、主要特色及预计工作进度
计划目标及工作进度：
1、规划论文内容，拟出论文大纲第一周
2、整理思绪，开始搜集各方面需要的资料第二周-第三周
3、开始写论文，同时搜集缺少的资料第四周-第九周
4、查漏补缺第十周
5、提交论文第十一周
摘要
所有手机充电器其实都是由一个稳定电源（主要是稳压电源、提供稳定工作电压和足够的电流）加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。
本文设计的是类似于插座式的USB充电器，USB充电器相当于反激式变压器开关电源，您只需要将USB接口插入即可充电。
介绍了USB充电器的概念、工作原理、工作流程等。
从硬件电路上来设计了USB充电器的原理图，并设计其PCB板。
关键词：
USB充电器；充电器；开关电源
引言
您还在为因ipad、iphone等电子产品有数据线但缺少插头而不能充电在烦恼吗？
您还在为因电流大小供应不足而不能同时为您的几个电子产品充电在烦恼吗？
本文所设计的是一种利用USB接口为我们的电子产品进行充电的插座式大电流充电器，您只需要将您的USB数据线当插头插进充电器即可，便捷省时。
本文围绕介绍USB充电器的背景，总结充电器的概念和特性，描述USB充电器设计方法等各方面来一一介绍，并从硬件电路上来完成USB充电器的设计。
此产品实现的是输入120V或是220V的交流电，输出5V、3A的直流电的USB充电器，它设计了两个USB接口，能够同时接两个外来充电设备。
一USB充电器简介
1.1USB充电器的背景
USB充电器在人们日常生活中应用广泛，与我们的生活密切相关。
随着人们物质水平的提高，ipad、iphone等大电流电子产品越来越普及，对日常生活所用的电子产品大电流充电器的需求增大。
以往的那些结构简单、小电流的充电器已不能满足人们的需求。
目前，各式各样的便捷的充电器都浮于市场，竞争激烈。
在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景。
1.2USB充电器的概念及特性
充电器通常指的是一种将交流电转换为低压直流电的设备。
充电器在各个领域用途广泛，特别是在生活领域被广泛用于手机、相机等等常见电器。
充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。
1.3USB充电器的工作原理
USB充电器相当于反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。
反激式：
就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。
而此设计电路中的开关管K相当于由芯片TNY280PN所组成的开关控制电路。
属于这种模式的开关电源有：
并联式开关电源、极性反转型变换器、反激式变压器开关电源等。
上图是反激式变压器开关电源的精简电路图
Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻，二极管D起到的是反向阻流的作用。
1.4USB充电器的工作流程
二所用芯片的介绍
2.1TNY280PN（IC）
2.1.1引脚功能介绍
漏极（D）引脚：
这个引脚是功率MOSFET的漏极连接点.它提供了内部经营为启动和稳态电流运作。
旁路/多功能（BP/M）引脚：
此引脚具有多种功能：
1.它是一个外部旁路电容连接点对国内产生5.85V供应。
2.它是一个电流限制值的模式选择，取决于加入对的电容值。
3.它提供了一个关断功能。
当到当前旁路引脚超过5.5mA,闭锁装置，直到BP/M以下4.9V,在电源电压下降了。
这可以用来提供输出过压保护功能与齐纳从BP连接/M引脚到偏置绕组供应。
启用/欠压（EN/UV）引脚：
此引脚具有双重功能：
使能输入和线路电压不足感.
来源（S）引脚：
该引脚在内部连接到输出MOSFET源高低压电力回报和控制电路常见.
TNY280PN引脚图
2.2TL431（基准电压源）
2.2.1TL431简介
TL431属于一种具有电流输出能力的可调基准电压源，其性能优良，可广泛应用于单片机精密开关电源或精密线性稳压电源中。
基准源提供了一个已知的电压值，用它与输出作比较，得到一个用于调节输出电压的反馈。
此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。
目前在单片精密开关电源中，常用它构成外部误差放大器，再与光耦合器一起组成隔离式反馈电路。
TL431相当于一只可调齐纳稳压管，输出电压由外部精密电阻R1和R2来设定。
2.2.2TL431的主要参数
TL431的主要参数为：
1.最大输入电压为37V。
2.最大工作电流150mA。
3.内基准电压为2.5V。
4.输出电压范围为2.5~30V。
2.2.3TL431引脚介绍
TL431三个引脚分别为：
阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。
TL431引脚图
2.3LTV-817C（光耦）
光耦的基本作用，是将输入、输出侧电路进行有效的电气上的隔离；能以光形式传输信号；有较好的抗干扰效果；输出侧电路能在一定程度上得以避免强电压的引入和冲击。
输入侧一般采用发光二极管，输出侧采用光敏晶体管、集成电路等多种形式，对信号实施电-光-电的转换与传输。
输入、输出侧之间有光的传输，而无电的直接联系。
输入信号的有无和强弱控制了发光二极管的发光强度，而输出侧接受光信号，据感光强度，输出电压或电流信号。
此设计中所用的LTV-817C为三极管型光电耦合器，如同PC816、PC817、4N35等，常用于开关电源电路的输出电压采样和误差电压放大电路，也应用于变频器控制端子的数字信号输入回路。
结构最为简单，输入侧由一只发光二极管，输出侧由一只光敏三极管构成，主要用于对开关量信号的隔离与传输。
三硬件电路分析
3.1USB充电器电路原理图
3.2抗电磁干扰（EMI）和整流滤波
3.2.1抗电磁干扰
电感L1、CX1以及反馈控制电路中所用的CY1都是用来抗电磁干扰的元器件。
开关电源首先将工频交流电（50HZ交流电）整流为直流电，然后经过开关管（TNY280PN）开关控制电路）变为高频，最后经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压，因此，自身含有大量的谐波干扰。
同时，由于变压器T1的漏感和输出二极管D2的反向恢复电流造成的尖峰，都会产生不同程度的电磁干扰。
开关电源中的干扰主要集中在电压、电流变化大（即dv/dt或di/dt很大）的元器件上，尤其是开关管、输出二极管和高频变压器等。
同时，杂散电容会将电网的噪声传导到电子系统的电源而对电子线路的工作产生干扰。
3.2.2整流滤波
输出整流滤波电路产生的滤波干扰开关电源输出端普遍采用桥式整流，电容滤波电路。
由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得输出电流成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，。
这种畸变的输入电流，它除了基波外，还含有丰富的高次谐波分量。
3.3主回路组成
主回路是反激式结构，主要由变压器T1，集成电路TNY280PN，二极管D2，电容C5,C8,电感L2等组成。
3.3.1功率变换控制回路工作过程
在U1（TNY280PN）接通的期间，输入电源Ui对变压器初级线圈N1绕组加电，N1绕组有电流i1流过，两端产生自感电动势，同时次级线圈N2绕组的两端也产生感应电动势，但由于绕组同名端相反,整流二极管D2载止，没有产生回路电流，相当于开路，变压器相当与一个储能电感。
（等效图如下）
当U1由接通突然转为关断瞬间，流过变压器初级线圈的电流i1突然为0，而磁通不能突变，因此，在U1关断期间，变压器磁心中的磁通主要由N2线圈回路中的电流来维持,N2中产生反激电流，流过D2向电容C5和负载供电。
（等效图如下）
在U1由闭合到断开的瞬间，N2侧产生了一定大小的反激电压和电流，如果N2直接接在负载R上则会有一个非常大的脉冲。
然而由于次级线圈N2绕组的输出电压都经过整流滤波，而滤波电容C5与负载的时间常数非常大，因此，整流滤波输出电压Uo基本稳定，就等于二次侧电压U2的幅值Up。
在U1关断的时间内，二次侧电压U2基本平稳（直到反激电流降为0），向C5和负载放电，输出电流I2小于Io后，C也开始放电。
U1闭合后，变压器一次侧充电，二次侧断路，由C5向负载R供电。
上图就是二次侧电流临界连续时，电压U2,电容C两端的电压Uc的变化过程
3.3.2各点信号值变化
下图是电路工作于临界连续电流状态时，整流输出电压Uo、变压器铁芯的磁通，以及变压器初、次级电流等波形。
b图是变压器铁芯中磁通量变化的过程，在U1接通期间，变压器铁芯被磁化,磁通量是由剩磁S•Br向最大磁通S•Bm方向变化；在U1关断期间，变压器铁芯被退磁,磁通量是由最大磁通S•Bm向剩磁S•Br方向变化。
c图是电源工作于临界电流状态时，变压器初、次级线圈的电流波形。
i1为流过N1线圈中的电流，i2为流过N2线圈中的电流（虚线所示），Io是流过负载的电流（虚线所示）。
在U1接通期间，变压器磁芯被i1磁化；在U1关断期间，i2退磁，并向负载输出电流。
从图中还可以看出，流过变压器初、次级线圈中的电流是可以突跳的。
在K关断的一瞬间，i1由最大值跳变到0，而在同一时刻，i2的电流由0跳变到最大值。
并且，i1的最大值正好等于i2的n倍（n为变压器次级电压与初级电压比）。
3.4电压反馈控制
电压反馈电路由光耦LTV-817C，基准电压源TL431等组成。
光耦由发光二极管及光敏三极管两部份组成。
光耦中的发光二极管在通过电流时发光，光线照射光敏三极管时产生集电极电流，从而在输入输出电隔离的情况下实现信号传输。
光耦反馈电路中要有基准电压，以便构成误差放大电路。
我们选用TL431构成精密的基准电压源。
变压器次级输出经二极管整流，电容C5滤波后，再经电阻R7与R6分压加到TL431的REF端。
开关电源的输出电压由R7和R6的分压比决定，输出电压Uo=Uref（1+R7/R6）.通过调节R7与R6的大小可以调节输出电压。
当输入电压或负载变化时，引起输出电压Uo改变，Uref也将随之改变，TL431的阳极电压Uk发生相应变化，从而使通过光耦中发光二极管的电流If改变，If的变化使发光二极管的发光强度改变，最终引起光耦输出电流变化。
光耦输出端控制TNY280PN从而调节主回路能量输出。
R3是光耦中发光二极管的限流电阻，R5、C7维持系统稳定。
电压反馈的过程：
整流输出U0上升导致基准电压源的参考端Uref上升，Uref上升将后基准电压源阴极Uk上升，然后光耦二极管电流If下降，导致光耦中光敏三极管的集电极电流Ic下降，然后导致TNY280PN漏极D端脉冲减少，最后再经变压器T1、二极管D2整流导致输出的U0减小。
3.5尖峰电压吸收电路
当IC由导通变为载截止明，在高频变器的一次绕组上会产生尖峰电压和感应电压。
尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成的，它与直流输入电压和感应电压叠加后施加到IC上，很容易将IC损坏。
因此电路中必须有尖峰电压吸收电路。
电路中利用阻容元件构成缓冲吸收电路，用于降低尖峰电压幅度和减小电压波形变化率。
这样可以让IC工作在安全区，同时还可以降低电磁辐射的频率，减少辐射的能量。
四PCB的设计
联系实际实物，将USB充电器设计了两个PCB板，一是主电路板，二是USB接口端电路板。
一、主电路板
二、USB接口端电路板
五设计过程中疑难问题及解决办法
此次设计的是一种输入120V或是220V的交流电，输出5V、3A的直流电的USB充电器，整个设计过程并非一帆风顺的，很多疑难问题都是通过查找资料，XX搜索或是请教有经验的工程师等方法而一一解决的。
现在我将从原理图设计与PCB设计这两方面来分析描述：
1、原理图设计
此产品的原理图设计是从硬件电路上来完成的，需要考虑很多实际性的问题，例如：
功能、安规、电磁干扰（EMI）、产品的可靠性、产品的寿命等。
1、功能：
在设计的过程中如果输出电流不能达到要求，有可能是变压器的功率不够；如果在设计过程中变压器的同名端颠倒或是整流二极管极性弄反，都会导致IC烧坏；如果反馈电路出问题就会导致输出电压过高或是过低，或者输出电压不稳定，所以为了避免这些功能不良的问题，我都会仔细筛选变压器等器件的规格以及正确连线等。
2、安规：
必须确保高压侧和低压侧保持足够的爬电距离和电气间隙。
3、电磁干扰：
整个电路设计都会考虑电磁干扰的问题，例如如果L1共模电感取值过小，可能会引起EMI测试不通过；如果变压器T1与电容C1、整流二极管D2以及IC隔的距离远会导致电磁干扰增大。
4、产品的可靠性：
设计过程中必须得考虑原件的参数是否有足够的余量，电容不能靠近发热元件，同时发热元件不能靠得太近，否则会导致局部温度过高，影响产品散热，发热大的元件必须保证良好的散热，必要的话加散热片。
另外，还要考虑布局的合理性和产品间是否会产生干扰等因素。
5、产品的寿命：
必须根据产品的使用寿命及工作方式，选择合适的电子零件。
二、PCB设计
此次设计的USB充电器的PCB为双面板，电路板的两面都可以放器件，遵循顶层放插件，底层放贴片的原则，方便工艺流程。
布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。
因此应将所有通过高频交流的电流和印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置的很近。
印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。
根据印制线路经电流的大小，应尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，电阻越小，散热越好。
对于器件布局，从客观上来说，得考虑整体的美观，从主观上来说必须考虑是否方便布线；在实物的装配上是否达到装配的标准；元件布局是否疏密有序，排列整齐：
是否全部布完；插件板插入设备是否方便；热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离；调整可调元件是否方便；在需要散热的地方，装了散热器没有；空气流是否通畅；信号流程是否顺畅且互连最短；插头、插座等与机械设计是否矛盾；线路的干扰问题是否有所考虑等等问题。
关于PCB布线始终遵循以下等原则：
1、连线时不画成一段一段的，一条直线最好一直画通。
2、不用的地方都用地填充，做成网格状。
3、地线多走横向，电源线多走纵向。
4、地的走线方向与集成电路的方向垂直，以减小短路的可能。
5、印刷板尽量使用弧形线，而不用90°折线，以减少高频信号对外的发射与耦合。
6、模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线。
7、闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输出端。
8、对噪声敏感的线不要与大电流、高速开关线平行。
9、任何信号都不要形成环路，如果不可避免，应让环路尽量小。
10、高速线要短和直。
11、电源线布置
布电源线时，除了要根据电流的大小，加粗导线宽度外，还要使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致，以增强其抗噪声的功能。
另外，在PCB设计中有部分器件需要自己手动画封装，譬如变压器、电感等。
总结
大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。
2012年3月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。
本次毕业设计在自己的努力，老师的指点下完成，整个过程弥足珍贵。
从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。
历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。
回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。
回想刚开始写论文时，感觉无从下手，通过及时的与老师或是与其他同学沟通，才慢慢找到那种感觉，慢慢冲破一个一个的困难，论文也就慢慢成型。
从论文的选题、资料的收集到写论文，都需要付出很大的精力，但是收获良多，它让我掌握和巩固了很多相关的专业知识，对自己是一种提高，同时学到了很多新的知识、增长了见识。
这连续几个月的时间里，我徜徉在书海里查找资料，面对无数书的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋，亲手设计的电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情，在最后一段时间里，为了赶论文我曾赶稿到深夜，但是看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦，毫无疲惫。
脚踏实地、认真严谨、实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我这次设计过程中最大的收益。
我想，这是一次意志的磨练是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作带来很大的帮助。
毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程，在论文的写作过程中我能够充分利用大学期间所学的知识。
在做毕业设计的整个过程中积累了很多实战经验，对自己而言是个质的提升。
在今后的日子里，我仍然会不断的充实自己，争取在所学领域有所作为。
致谢
时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。
离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。
从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开各界单位组织与人士等的热情帮助，在这里请接受我最诚挚的谢意!
感谢轻工！
对于您，我们有过骄傲与自豪，有过苛责与失望，有过迷茫和奋进，有过汗液和热血……三年前，不同的原因进来，三年之后的今天，我们站在岔口再次选择，或工作、或升本……就要各奔前程，每个人收获的果实不一样，但母校潜移默化的影响，对母校深深的眷恋，却将同样长久地伴随我们。
感谢我的指导老师和专业老师！
是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。
从尊敬的指导老师赵老师以及其他专业老师邱老师、吴老师、何老师等身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理，在此我要向他们致以最衷心的感谢和深深的敬意。
赵老师他能够在忙碌的教学工作中挤出时间来帮我审题、审查、修改我的论文。
他宅心仁厚，闲静少言，不慕荣利，对学生认真负责，在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。
他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导给予我无尽的启迪。
感谢三年中陪伴在我身边的同学、朋友！
是他们陪伴了我三年，不论是学习或是生活，感谢他们在学习上给我的帮助，在生活上给我的照顾，为我的论文提出的有益的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了三年的学习生活，才能圆满的完成毕业设计。
感谢所有给予我转载和引用的资料、图片、文献、研究思想和设想的所有者！
因为有你们的帮助，我不用为论文无从下手而发愁；因为有你们的帮助，我才有充分的材料去完成我的论文写作；因为有你们的帮助，我的论文论据才更加具有说服力。
从论文选题到搜集资料，从写稿到反复修改，期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写作论文的过程中心情是如此复杂。
如今，伴随着这篇毕业论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。
所以，在此，请允许我再次对所有给予我论文写作提供帮助的单位，个人等表达我最衷心的感谢与祝愿。
参考文献
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[10]2012年5月15日访问
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