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開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器的工作原理

發(fā)布時(shí)間:2011-09-21

中心議題:

  • RCC型開(kāi)關(guān)電源與PWM型開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別
  • 開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器開(kāi)關(guān)電源電路
  • 開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器充電控制電路分析
  • 鋰離子電池所用的材料
  • 鋰離子電池的工作機(jī)理及充電原理


本文詳細(xì)介紹了一種開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器的工作原理,對(duì)初學(xué)者了解具體的開(kāi)關(guān)電源電路及充電控制電路很有意義。該充電器具有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),并具有放電功能。在150~250V、40 mA的交流市電輸入時(shí),可輸出300±50 mA的直流電流。根據(jù)實(shí)物繪出了工作原理圖,供讀者參考。

RCC型開(kāi)關(guān)電源與PWM型開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別

該充電器采用了RCC型開(kāi)關(guān)電源,即振蕩抑制型變換器,它與PWM型開(kāi)關(guān)電源有一定的區(qū)別。

PWM型開(kāi)關(guān)電源由獨(dú)立的取樣誤差放大器和直流放大器組成脈寬調(diào)制系統(tǒng);而RCC型開(kāi)關(guān)電源只是由穩(wěn)壓器組成電平開(kāi)關(guān),控制過(guò)程為振蕩狀態(tài)和抑制狀態(tài)。

由于PWM型開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管總是周期性的通斷,系統(tǒng)控制只是改變每個(gè)周期的脈沖寬度,而RCC型開(kāi)關(guān)電源的控制過(guò)程并非線性連續(xù)變化,它只有兩個(gè)狀態(tài):當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓超過(guò)額定值時(shí),脈沖控制器輸出低電平,開(kāi)關(guān)管截止;當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓低于額定值時(shí),脈沖控制器輸出高電平,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí),濾波電容放電時(shí)間延長(zhǎng),輸出電壓不會(huì)很快降低,開(kāi)關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài),直到輸出電壓降低到額定值以下,開(kāi)關(guān)管才會(huì)再次導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間取決于負(fù)載電流的大小。開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通/截止由電平開(kāi)關(guān)從輸出電壓取樣進(jìn)行控制。因此這種電源也稱非周期性開(kāi)關(guān)電源。

開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器開(kāi)關(guān)電源電路分析

220V市電經(jīng)VD1~VD4橋式整流后在V2的集電極上形成一個(gè)300V左右的直流電壓。由V2和開(kāi)關(guān)變壓器組成間歇振蕩器。開(kāi)機(jī)后,300V直流電壓經(jīng)過(guò)變壓器初級(jí)加到V2的集電極,同時(shí)該電壓還經(jīng)啟動(dòng)電阻R2為V2的基極提供一個(gè)偏置電壓。由于正反饋?zhàn)饔?,V2 Ic迅速上升而飽和,在V2進(jìn)入截止期間,開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使VD7導(dǎo)通,向負(fù)載輸出一個(gè)9V左右的直流電壓。開(kāi)關(guān)變壓器的反饋繞組產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖經(jīng)VD5整流、C1濾波后產(chǎn)生一個(gè)與振蕩脈沖個(gè)數(shù)呈正比的直流電壓。此電壓若超過(guò)穩(wěn)壓管VD17的穩(wěn)壓值,VD17便導(dǎo)通,此負(fù)極性整流電壓便加在V2的基極,使其迅速截止。V2的截止時(shí)間與其輸出電壓呈反比。VD17的導(dǎo)通/截止直接受電網(wǎng)電壓和負(fù)載的影響。電網(wǎng)電壓越低或負(fù)載電流越大,VD17的導(dǎo)通時(shí)間越短,V2的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng),反之,電網(wǎng)電壓越高或負(fù)載電流越小,VD5的整流電壓越高,VD17的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng),V2的導(dǎo)通時(shí)間越短。V1是過(guò)流保護(hù)管,R5是V2 Ie的取樣電阻。當(dāng)V2 Ie過(guò)大時(shí),R5上的電壓降使V1導(dǎo)通,V2截止,可有效消除開(kāi)機(jī)瞬間的沖擊電流,同時(shí)對(duì)VD17的控制功能也是一種補(bǔ)償。VD17以電壓取樣來(lái)控制V2的振蕩時(shí)間,而V1是以電流取樣來(lái)控制V2振蕩時(shí)間的。
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開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器充電控制電路分析

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(shí)對(duì)其進(jìn)行放電。SW1是鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。SW1與精密基準(zhǔn)電源SL431為運(yùn)放LM324 ⑨提供兩個(gè)不同的精密基準(zhǔn)源,由SW1切換。在給鎳鎘、鎳氫電池充電時(shí),LM324 ⑨腳的基準(zhǔn)電壓約0.09V(空載);在給鋰離子電池充電時(shí),LM324 ⑨腳的基準(zhǔn)電壓約為0.08V(空載),這種設(shè)計(jì)是由這兩種類型電池特有的化學(xué)特性決定的。按下SW2,V5基極瞬間得一低電平而導(dǎo)通,可充電池上的殘余電壓通過(guò)V5的e c極在R17上放電,同時(shí)放電指示燈VD14點(diǎn)亮。在按下SW2后會(huì)隨即釋放,這時(shí)可充電池上的殘余電壓通過(guò)R16、R13分壓,C9濾波后為V4的基極提供一個(gè)高電平,V4導(dǎo)通,這相當(dāng)于短接SW2。隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng),可充電池上的殘余電壓也越來(lái)越低,當(dāng)V4基極上的電壓不能維持其繼續(xù)導(dǎo)通時(shí),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(dāng)電池低于3V時(shí)便不能開(kāi)機(jī),其殘余電壓經(jīng)電阻R40、R41分壓后得到2.53V送入運(yùn)算放大器的同相端③、⑤、⑩腳,由于LM324 ⑨腳電壓在負(fù)載下始終為2.66V,因此⑧腳輸出低電平,V3導(dǎo)通,+9V電壓通過(guò)V3 e c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(hào),由于IC1 ⑧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(duì)應(yīng)容量為20%。隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng),可充電池上的電壓逐漸上升。當(dāng)R40、R41的分壓值約等于2.58V時(shí),即IC1 ③腳等于2.58V時(shí),IC1 ②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(shí),IC1 ⑨腳電壓始終是2.66V,V6導(dǎo)通;反之在空載時(shí),IC1 ⑨腳為0.08V,V6截止),VD10、VD11點(diǎn)亮,對(duì)應(yīng)指示容量為40%、60%。當(dāng)R40、R41的分壓值上升到2.63V時(shí),即IC1 ⑤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(diǎn)亮,對(duì)應(yīng)充電容量為80%。只有IC1 ⑩腳電壓≥2.66V時(shí),⑧腳才輸出高電平,VD13點(diǎn)亮,對(duì)應(yīng)充電容量為100%。即使VD13點(diǎn)亮?xí)r,VD12仍處于閃爍狀態(tài),這表示電池仍未達(dá)到完全飽和。只有IC1 ⑧腳電壓>6.5V時(shí),VD12才逐漸熄滅,表示電池完全充至飽和。

VD16在電路中起過(guò)充、過(guò)流保護(hù)作用,VD8起反向保護(hù)作用,避免充電器斷電后,電池反向放電。

鋰離子電池所用的材料

說(shuō)到這個(gè)鋰離子電池(一般我們所稱的鋰電池即鋰離子電池,如果嚴(yán)格意義上來(lái)劃分,鋰電池包括鋰離子電池和鋰聚合物電池)呢,先來(lái)簡(jiǎn)單的介紹一下,所謂鋰離子電池就是使用能夠吸藏•脫離鋰離子的碳材料作為負(fù)極活性物質(zhì)的電池,鋰離子符號(hào)為 Li-ion 。大家知道作為電池一般都是由正極,負(fù)極,隔膜,電解液等基本的元素組成,那么鋰離子電池所用的這些材料一般是以下一些物質(zhì):

正極:鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)錳酸鋰(LiMn2O4)等;
負(fù)極:人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等等;
隔膜:聚乙烯(PE)、聚丙?。≒P)等組成的單層或者多層的微多孔薄膜;
電解液:碳酸丙稀酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、二甲基碳酸酯(DMC)、二乙基碳酸酯(DEC)、甲基乙基碳酸酯(MEC)等組成的一元、二元或者三元的混合物

市場(chǎng)上所售的鋰離子電池大多是以鈷酸鋰為正極,石墨系列為負(fù)極的電池。

鋰離子電池的工作機(jī)理

鋰離子電池的工作機(jī)理是:電池充電時(shí),正極材料中的鋰形成離子溶出,嵌入到負(fù)極改性石墨層中;電池放電時(shí),鋰離子從石墨層中脫嵌,穿過(guò)隔離膜回填到正極鈷氧化鋰的層狀結(jié)構(gòu)中。隨充放電的進(jìn)行鋰離子不斷的從正極和負(fù)極中嵌入和脫出,所以也有人稱其為“搖椅電池”鋰離子電池單體的額定電壓為 3.6V,充電限制電壓為 4.2V,放電限制電壓為 2.5V 。

鋰離子電池的充電過(guò)程

鋰離子電池的充電過(guò)程分為兩個(gè)步驟:先是恒流充電,其電流恒定,電壓不斷升高,當(dāng)電壓充到 4.2V 的時(shí)候自動(dòng)轉(zhuǎn)換為恒壓充電,在恒壓充電時(shí)電壓恒定,電流是越來(lái)越小的直到充電電流小于預(yù)先設(shè)定值為止,所以有人用直充對(duì)手機(jī)電池進(jìn)行充電的時(shí)候明明電量顯示已經(jīng)滿格了,可是還是顯示正在充電,其實(shí)這個(gè)時(shí)候的電壓已經(jīng)達(dá)到了 4.2V 所以電量顯示為滿格,那時(shí)就是在進(jìn)行恒壓充電過(guò)程,那么有人也許會(huì)問(wèn),為什么要進(jìn)行恒壓充電呢,直接用恒流充到 4.2V 不就行了嗎,其實(shí)很容易解釋,因?yàn)槊恳粋€(gè)電池都有一定的內(nèi)阻,當(dāng)用恒流進(jìn)行充電到 4.2V 的時(shí)候,這個(gè) 4.2V 其實(shí)并不是電池實(shí)際的電壓,而是電池的電壓加上電池內(nèi)阻上消耗的電壓之和,如果電流很大那么在內(nèi)阻上消耗的電壓也就很大,所以那是實(shí)際電池的電壓可能比 4.2V 小很多,所以要用恒壓充電過(guò)程,把充電的電流慢慢降下來(lái),這樣電池的實(shí)際電壓就很接近 4.2V 。

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