手机充电器的设计与制作概要.docx

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手机充电器的设计与制作概要

学校代码：

学号：

HENANINSTITUTEOFENGINEERING

毕业设计（论文）

题目手机充电器的设计与制作

学生姓名

专业班级

学号

系（部）电气信息工程系

指导教师（职称）

完成时间

河南工程学院论文版权使用授权书

本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：

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论文作者签名：

年月日

河南工程学院毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

年月日

河南工程学院

毕业设计（论文）任务书

题目手机充电器的设计与实现

专业学号姓名

主要内容、基本要求、主要参考资料等：

课题意义：

随着社会的进步，科技水平的提高，尤其是当今社会手机的普及，手机的更新换代速度也随之加快，为了更好地使用和维护它，我们需要为手机选择合适的充电器，目前手机充电器市场种类繁多，但是其中也存在一些不良的手机充电器，这些手机充电器设计简单，不符合安全和性能要求，长期使用将大大降低手机电池的寿命，严重的甚至会造成电池的直接损坏，因此研究手机充电器的电路转换过程和原理是非常有意义的。

任务内容：

以手机充电器为研究对象，在分析手机充电器中各个电路的基础上，重点研究手机充电器的稳压电路过程。

通过计算确定各个电子元器件的参数选择，最终实现整个过程，主要内容如下：

1、能够顺利的为手机电池充电，充电电压为5V-5.5V，电流为500-1000mA；

2、当电池充满电后能够停止对电池的充电；

3、充电结束时有必要的显示。

整个手机充电器的内部电路可以认为是一个直流电源，共包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路在内的最主要的四个部分。

其中，整流电路包括半波整流和全波整流，半波整流因为只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。

所以，一般电路中使用全波整流方式。

滤波电路中一般选用电容滤波。

虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是，整流滤波电路输出的电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。

所以需要采取稳压措施。

稳压电路包括线性稳压电路和开关型稳压电路，线性稳压电路具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点。

但是由于调整管一直工作在放大状态，自身功耗较大；效率较低，相对于线性稳压电路，开关型稳压电路能够提高电路效率，但是由于输出纹波比线性电源差很多，精度也远远达不到线性电源的精度。

基本要求：

对手机充电器的设计基本要求有以下几点：

1、使用Proteus、Multisim软件等完成原理图设计；

2、使用Protel等相关软件完成PCB板的设计；

3、使用Proteus等相关软件完成整个电路的仿真。

工作要求：

该设计具有实践性、综合性、探索性诸多特点，为开发学生智力、培养学生动手实践能力提供了一个综合训练和实践的机会。

因此，为了达到毕业设计（论文）的教学目的，必须对学生提出明确的要求：

1．勤奋学习，勤于实践，保质保量完成任务书规定的任务。

2．团结互助，虚心接受教师指导和检查，定期向教师汇报毕业设计（论文）工作进度、工作设想。

3．独立完成规定的任务，严格遵守纪律，在指定地点进行工作。

因病，因事离岗应请假。

4．节约材料，爱护仪器设备，严格遵守操作规定及实验室有关规章制度，确保安全。

定期打扫卫生，保持整洁的工作环境。

5．毕业设计须符合成果要求及撰写要求，否则不能取得答辩资格。

6．毕业设计（论文）成果、资料应及时交指导教师收存，结束时应协助老师做好材料归档工作。

学生对毕业设计内容中涉及的有关技术资料应负有保密责任，未经许可不能擅自对外交流或转让，报告（论文）经指导老师同意可以对外发表。

主要参考文献：

7．李哲英，骆丽.电子科学与技术导论.北京：

电子工业出版社.

8．童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：

高等教育出版社.

9．贾立新，王涌.电子系统设计与实践.北京：

清华大学出版社.

10．姚和平.锂离子电池充电器设计[D][硕士学位论文].西安电子科技大学.2008.

11．贺小光，蓝讽，陈敬艳.PWM可调直流稳压控制电源电路的设计研究.东北师大学报.2010年6月.第2期第42卷.

指导教师签名：

专业负责人签名：

2013年3月13日

手机充电器的设计与制作

摘要

随着微电子技术的持续发展,各种便携式设备得到了普及,为了能够更好地使用这些电子产品,可充电电池得到了广泛的应用,这必将带动充电技术的发展,可充电电池的充电问题一直被人们所关心,不同的充电器采用不同的电路,造价不同,因此性能也不同,许多充电器电路在设计上存在缺陷,不能对充电过程起到很好的控制,极可能造成充电器的损坏。

因此这个课题的研究是很有现实意义的。

本论文介绍了手机锂电池充电器的历史背景，发展的现状和目前存在的问题，以及当前出现的各种充电方案，阐明了手机充电器的充电原理，并使用仿真软件Proteus完成仿真，制作完成成品。

本设计介绍的是一款采用555集成电路制作的锂离子电池充电器，它具有恒流充电/恒压充电自动转换的功能,当电池端电压低于4.2V时采用恒流充电方式,而在电池端电压达到4.2V时会自动转变为恒压小电流充电,不会出现电池过充电。

关键字手机充电器，Proteus，555集成电路，自动转换

Thedesignandproductionofmobilephonecharger

ABSTRACT

Withthecontinueddevelopmentofmicroelectronicstechnology,avarietyofportabledeviceshasbeenpopular,hasbeenwidelyusedinordertobeabletomakebetteruseoftheseelectronicproducts,rechargeablebatteries,whichwilldrivethedevelopmentofchargingtechnology,rechargeablebatterychargingproblemhasbeenofconcerntoadifferentcircuit,differentcharger,cost,performance,andmanychargercircuitdesignflaws,youcannotplayaverygoodcontrolofthechargingprocess,islikelytocausethechargerdamage.Therefore,thestudyofthissubjectisverypracticalsignificance.

Thispaperdescribesthehistoricalbackgroundofthecellphonelithiumbatterycharger,developmentstatusandexistingproblems,aswellasthecurrentchargingschemetoclarifythephonechargerchargingprinciples,andtousesimulationsoftwareProteuscompletedthesimulationproducedfinishedproduct.

Thedesignisa555LithiumIonBatteryChargerICfabrication,ithasaconstantcurrentcharging/constantvoltagechargingautomaticconversion.Whenthebatteryterminalvoltageislowerthan4.2Vwithconstantcurrentchargingmode,andautomaticallychangethebatteryterminalvoltagereaches4.2VConstantcurrentcharge,doesnotappeartooverchargethebattery.

KEYWORDSmobilephonecharger,Proteus,555integratedcircuits,automaticconversion

1绪论

1.1课题的背景及意义

随着移动电子产品的普及，可充电电池的充电技术得到了持续的发展，充电器在工业、移动电子设备等诸多领域得到了广泛的应用。

充电技术也日趋多功能化，而各种移动设备的耗电量也在逐步的增加，这得到了人们的重视，充电电路是充电技术的核心所在，虽然随着科技的进步与时代的发展，出现了各种各样新的电池充电器，但是，万变不离其宗，深入地研究充电电路及其核心组件，是具有极大现实意义的。

1.2手机充电器的研究现状

1.2.1历史背景

随着当今社会移动终端产品市场的发展，通讯事业也同样发展迅猛，手机在消费群体中得到了极大的普及，在可充电电池出现后，手机充电技术也越来越多种多样。

为了更好地使用和维护这些便携式电子产品，需要为它们选择合适充电器，质量低劣的不合格充电器在额定容量、安全保护等各个方面存在问题，而这些质量问题会在使用的过程中影响到手机的使用寿命，严重的甚至可能会引发爆炸威胁到使用者的人身安全，因此必须选择质量合格的充电产品。

手机电池中以锂电池最为典型也最为普遍，研究手机充电器实质上就是研究锂电池的充电技术。

锂电池是一种有锂金属或者锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的电池。

锂电池具有能量比较高，使用寿命长以及绿色环保等诸多优点，但是锂离子电池也同样存在其不足之处，那就是对充电器的要求就为严格，同时在充电过程中也需要性能较好的保护电路。

在锂电池的充电过程中为了有效的利用电池容量需要将锂电池充满，充满电能后的锂电池电压达到4.2V，此时如果还是以原有的电压电流来进行充电，就会造成电池的过度充电，将会严重影响电池的寿命，严重的甚至会造成爆炸，因此需要对充电过程进行控制，当电池充满电后，及时改变电池的充电方式，这样才不会出现电池的过充电。

因此，有必要研究手机充电器的充电电路以及控制电路。

1.2.2现状与存在的问题分析

随着移动终端产品的普及以及可充电电池得到越来越广泛的应用，锂电池充电器的种类也越来越多，包括座式充电器、车载充电器、旅行充电器等等，还有随着人们对新型清洁能源的需求以及太阳能电池板的应用而出现的太阳能手机充电器，以及利用电池感应原理进行充电的无线充电器，同时，为了方便使用各个公司也推出了集成各种电路于一体包括充电电路、控制电路、保护电路于一体的充电IC。

与传统手机充电器相比太阳能电池的太阳能板因为会受到光线环境影响，所以它的使用会受到环境的制约，同时太阳能电池板不菲的价值，也使得太阳能手机充电器造价过高。

虽然无线手机充电器能够在非接触式的情况下完成对电池的充电过程，但无线充电同样存在传输距离短，以及工作效率较低的缺点，但不管是传统的充电器还是新型的太阳能手机充电器亦或者是充电IC都需要解决两方面的问题，一、如何实现采用稳定电压稳定电流对电池进行充电的过程，这就要求对交流电有一个稳压的过程。

二、如何在电池的容量充满后能够对充电电路进行控制，控制原充电电路的电压电流等各项参数，防止在电池充满后对电池的过充，防止电池因为过度充电造成的不必要的损坏。

1.3手机充电器的原理

手机充电器中的电路主要包括两个部分的电路，即充电电路和控制电路。

充电电路就是将普遍使用的交流电经过电源变压器变压后的低电压交流电经过整流桥堆组成的整流电路整流后，再经由各种滤波电路滤去电流中所带的交流成分，但是这样处理后的电流还是会受到各种因素而电压不稳定，因此需要经由稳压电路转换成稳定的直流电压，整个电路的输入电为220V、50hz的市电。

在开头阶段需要先对电压进行降压处理是因为电网电压的有效值一般都比较大，不能够满足移动终端设备充电时电压的要求，如果不进行降压将会对充电设备造成伤害。

所以需要先对电压进行降压。

1.3.1充电电路

变压器副边电压的有效值是跟变压器后电路的电压要求来设置的，根据实际有关电路的需要来设置。

目前也有部分电路不用变压器，利用其他方法升压或降压，比如阻容降压。

变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。

主要功能有：

电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。

阻容降压的工作原理并不复杂。

它的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制电路中的最大工作电流的。

例如在50Hz的工作频率下，一个1uf的电容容抗约为3180Ω。

当交流电压在加到电容器的两端时后，后续电路中的电流可以得到降低，同时在理想状态下，电容器并没有功耗，根据这个特点,我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件,则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。

因此,电容降压其实质上是利用容抗进行限流。

而电容器实际上起到一个限制电流大小和动态分配电容器和负载两端电压的功能。

与变压器降压相比阻容降压是依靠能量耗损换来的，而变压器则不是，阻容降压器件需要承受功率耗损的温度考验，同时，由于阻容降压是将电压较高的交流电直接接入电路中，因此在安全性方面，阻容降压不如变压器降压来的安全。

从变压器副边输出的电压将通过整流电路将交流电压转换为直流电压，即将市电的正弦波电压转换为单一方向的电压，这个转换电路一般是通过整流电路来完成的，常见的整流电路包括半波整流电路和全波整流电路，但是从整流电路输出的电能包含有很大的交流分量，不能直接通入负载电路。

半波整流电路是利用二极管对电流的单向透过性，因为电网中的电流是50Hz的交流电，因此，在电流流过半波整流电路后只有一半的电能能够通过，此时流过整流电路的电能变为单一方向脉动的电能。

与半波整流电路相比，全波整流电路工作效率更高，在用半波整流电流整流的过程中一个周期的电能只有半个周期得到利用，而如果使用全波整流电路，会有四个二极管交替工作，使得负载在整个周期内均有电流通过，而且方向不变。

在负载相同的情况下，全波整流电路输出的电压和电流均为半波整流电路的一倍。

现在的电路中一般都是用集成的整流电桥而不再使用分立的器件。

为了减小电压中的交流分量，需要通过滤波电路进行滤波，使输出的脉动的直流电压变得趋于平滑。

在不考虑外部影响的情况下，应当将输出电能中的交流分量全部滤除，使滤波电路的输出电压只剩下直流电压。

滤波电路包括电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路三种。

电容滤波电路是最常见的同时也是最简单的滤波电路，电容滤波电路就是在整流电路的输出端并联上一个稳压电容，这样就成为了一个电容稳压电路，在实际的使用需要滤波电容有较大容量，所以电解电容是个不错的选择。

一旦使用电解电容的话，在焊接的过程中就务必要多注意电容的极性问题。

电容滤波电路是利用交流电在变化过程中对电容的充电和电容的放电过程来使得输出电压变得趋于恒定的。

滤波电容在电路中的作用就是滤去电路中的直流分量然后使得输出的电压变得趋于稳定。

滤波电容的工作原理很简单，在电容两端的电压较高时就会对电容进行充电，有一部分能量会储存在电容之中，当电容两端电压开始变小时电容放电，在充电放电的过程中，使输出的电压不出现较大的变化，当外界电压大于电容器两端的电压时，整流二极管因为正向的电压变为导通状态，同时开始对滤波电容的再次充电，当滤波电容两端的电压达到峰值后又开始下降；下降到一定数值时整流二极管变为截止，因为电容器上储存的有电能，因此，电容器开始对负载放电，电容器两端的电压按指数规律下降；放电到一定数值时，整流二极管重新导通，重复以上的过程。

经过滤波后的输出电压的平均值将会增大，同时输出电压也会更加的稳定。

但是如果排除理想状况，同时如果还要再考虑到变压器的电阻和整流二极管中的电阻的话，滤波电容两端的实际电压变化曲线与理想状况有所不同。

由以上可知充电时，整流电路的电阻就是整个回路电阻的电阻，也就是变压器的内阻跟二极管电阻的相加起来。

这个电阻相加的结果并不大，因而时间常数不大。

电容在放电的过程中，如果电路中的电压大小是R，那么整个放电时间就将是RC，因此充电的时间是小于放电时间的。

因此，滤波电容滤波的效果是跟放电时间成正比的，如果滤波电容很大，

并且电路中的电阻也很大，那么滤波以后输出的电压就会很稳定，同时与前面说说的一致，

整个电压的平均值也会得到提升。

在输出电流较大的情况下，由于负载的电阻较小，如果采用电容滤波电路来进行滤波，则要求电容的容量会很大，那么整流二极管的冲击电流也相应的会很大，这就使在选择整流二极管和滤波电容时会变得很困难，在这种情况下应当采用电感滤波。

这就需要在整流电路和负载电阻之间串联一个电感线圈，这样就构成了电感滤波电路，因为电感线圈的电感需要足够的大，因此一般需要用有铁芯的电感线圈。

当流过电感的电流发生变化时，电感线圈中会产生感应电压以阻止线圈中的电流发生变化。

如果通过电感线圈的电流变大，电感线圈中产生的自感电压将会与原电压的方向相反，以阻止线圈中电压电流的变化，于此同时会有一部分电能储存在线圈中，当线圈中的电流开始减小时，线圈中产生的自感电压将会与原电压的方向一致以减缓线圈中的电流减小速度，所以经过电感滤波的电能会变得非常平滑。

如果在使用电容滤波或者电感滤波的情况下，效果如果还是不十分明显，那么可以采用复式滤波电路。

电容和电感是两种不同的滤波元器件，利用两者对交直流电不同的电抗特点可以将两者同时接入滤波电路，这样可以达到更好地滤波目的。

这种滤波电路的效果会更好。

但是一般还是用电容滤波电路来进行滤波。

一位电容滤波最为简单，所以也最为常见。

从滤波电路输出的电压含有的交流电压较小，在对于电压的稳定要求不太高的电路中是可以直接作为供电电源的。

但是对于那些对电压的稳定性要求较高的电子电路中，需要对该电压进行进一步的处理，因为如果电网的电压出现波动或者是负载出现变化时，电压的平均值也将出现变化，因此要通过稳压电路对电压进行稳压处理，这样输出的电压降基本不再受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得较高的稳定性。

对于任何稳压电路都应从以上两个方面来考虑稳压效果，首先假设电网电压出现波动而负载未变化，接着就是假设负载的电阻出现变化而电网电压稳定。

稳压电路电路包括最简单的由稳压二极管和限流电阻组成的最基本的稳压电路以及比稳压管稳压电路更近一步的串联型稳压电路和相较于串联型稳压电路来说效率更高的开关型稳压电路。

在稳压二极管组成的电路中，是利用稳压二极管对电流的调节作用并通过限流电阻上电压电流的变化来达到稳压目的的，因此，在这样的电路中稳压电阻是不可或缺的。

尽管串联型稳压电路的结构十分简单，但是它也存在输出电流小，输出电压是个恒定值，并且不能解决各种电路问题的缺点，串联型稳压电路是以稳压二极管为基础同时利用三极管对电流的放大作用连接而成的，它的电压可调，同时由于三极管的作用可以输出较大的电流。

串联型稳压电路结构简单，调节方便，但是由于调整管的功耗过大，因此使整个稳压电路的效率较低，与串联型稳压电路相比，开关型稳压电路因为调整管工作在开关状态，所以其效率较高。

开关型稳压电路包括串联开关型稳压电路和并联开关型电路两种，开关型稳压电路的换能电路是将从滤波电路输出的直流电压转化为脉冲电压，然后将脉冲电压经过LC滤波后再转换为直流电压。

串联型稳压电路包括调整管、驱动电路、采样电路滤波电路等几部分组成。

串联型稳压电路与并联型稳压电路的区别在于调整管与负载的连接方式是串联还是并联的。

1.3.2控制电路

不管是使用分离器件来实现对电路的控制还是使用专业的集成充电器保护IC其原理都是在比较输出的电压或者电流与标准电压电流进行一个比较，然后根据比较的结果或者选取开关管，或者是选取继电器来控制电路的开关，从而实现对整个充电电路的控制。

1.4论文的主要工作及章节安排

1.4.1论文主要工作

本文以手机充电器为研究目标，重点研究了手机锂电池充电器的工作原理，同时进行了一系列的仿真和制作，主要内容包括以下方面：

首先简单的介绍了锂电池手机充电器发展的历史背景、研究现状和当前问题，同时介绍了手机充电器的工作原理。

其次介绍了文中给出的一种手机充电器的设计方案，重点介绍了所用器件和包括电源电路、充电电路和控制电路在内的三个电路及分析。

接着使用Proteus软件来对整个电路系统进行仿真，同时使用Protel软件来对整个电路制作PCB板。

最后对整个电路进行了一个概述，简单介绍了电路整体的工作原理，总结了设计的优缺点所在，探讨了其他可行的设计方案。

1.4.2论文结构

第一章：

介绍了选择题目的发展背景及研究现状，阐述了手机充电器中充电电路与控制电路的各项原理。

同时提出了本篇文章的主要研究内容。

第二章：

详细的介绍了本设计的包括使用器件、电源电路、充电电路和控制电路在内的整个硬件电路及各方面的联系等。

第三章：

采用仿真软件Proteus对整个电路进行仿真来验证整个方案的可行性，同时使用Protel软件来制作PCB板。

以及在电路制作过程中的调试等。

第四章：

简要叙述了整个电路各部件之间的联系和整个电路的工作原理，分析了该电路的优缺点，同时探讨了其他方案的可行性，并对其进行对比。

2硬件设计

2.1器件介绍

2.1.1变压器

变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压大小的电路器件，主要构件包括初级线圈、次级线圈和铁芯。

主要功能有：

电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。

变压器其实质上就是电感器的一种，主要有磁性材料、导电材料、和绝缘材料构成。

磁性材料主要是为了增加磁通量，导电材料主要是高强度的漆包线，而绝缘材料是整个线圈的骨架。

变压器的主要技术参数是其性能的反应包括功率容量、功率因素和效率，变压器输出功率与输入功率的比值成为效率

η=P2/P1*100%

其中，P2为输出功率，P1为输入功率。

2.1.2集成稳压电路

集成稳压电路又叫集成稳压器，这种电路是将含有交流分量的直流电压转换成波形稳定平滑的直流电压的集成电路，使用分立元件组成的稳压电源，具有固有输出功率较大，适应性较广的优点，但因为体积较大，焊接点较多，可能出现的故障也较多，因此它的使用较有局限性。

近年来集成稳压电源得到了广泛的应用，在小功率的稳压电源之中以三端串联型稳压器最为普遍。

图2-1集成稳压器

集成稳压器的分