手机万能充电器电路原理解析—电路图天天读（279）

　　下面以四海通S538型万能充电器为例，介绍其工作原理。四海通S538型万能充电器在外观设计上比较独特，面板上采用透明塑料制作的半椭圆形夹子，透明塑料面板上固定有两个距离可调节的不锈钢簧片作为充电电极。面板的尾部并排有1个测试开关（极性转换开关）和4个状态指示灯，用户根据需要可以调节充电器电极距离和输出电压极性，并通过状态指示灯可方便看出电池的充电情况。

图1  S538型万能充电器电路图

　　工作原理

　　该充电器电路主要由振荡电路、充电电路、稳压保护电路等组成，其输入电压AC220V、50／60Hz、40mA，输出电压DC4．2V、输出电流在150mA～180mA。在充电之前，先接上待充电池，看充电器面板上的测试指示灯TEST是否亮。若亮，表示极性正确，可以接通电源充电；否则，说明电池的极性和充电器输出电压的极性是相反的，这时需要按一下极性转换开关AN1（测试键）才行。具体电路原理如下。

　　振荡电路

　　该电路主要由三极管VT2及开关变压器T1等组成。接通电源后，交流220V经二极管VD2半波整流，形成100V左右的直流电压。该电压经开关变压器T 1-1初级绕组加到了三极管VT2的c极，同时该电压经启动电阻R4为VT2的b极提供一个正向偏置电压，使VT2导通。此时，三极管VT2和开关变压器T1组成的间歇振荡电路开始工作，开关变压器T1-1初级绕组中有电流通过。由于正反馈作用，在变压器T 1-2绕组感应的电压通过反馈电阻R1和电容C1加到VT2的b极，使三极管VT2的b极导通电流加大，迅速进人饱和区。随着电容C1两端电压不断升高，VT1的b极电压逐渐降低，使三极管VT2逐渐退出饱和区，其集电极电流开始减少，变压器T 1-1初级绕组中产生的磁通量也开始减少。在变压器T 1-2绕组感应的反向电压，使VT2迅速截止，完成一个振荡周期。在VT2进入截止期间，变压器T1-3绕组就感应出一个5．5V左右的交流电压，经VD3整流为直流电压，作为后级的充电电压。

　　充电电路

　　该电路主要由一块软塑封集成块IC1（YLT539）和三极管VT3等组成。从变压器T1-3绕组感应出的交流电压5．5V经二极管VD3整流、电容C3滤波后，输出一个直流8．5V左右电压（空载时），该电压一部分加到三极管VT3的e极；另一部分送到软塑封集成块IC1（YLT539）的1脚，为其提供工作电源。集成块IC1有了工作电源后开始启动工作，在其8脚输出低电平充电脉冲，使三极管VT3导通，直流8．5V电压开始向电池E充电。

　　当待充电池E电压低于4．2V时，该电压经取样电阻R11、R12分压后，加到集成块IC1的6脚上，该电压低于集成块IC1内部参考电压越多，集成块IC1的8脚输出的电平越低，三极管VT3的b极电位也越低，其导通量越大，直流电压8．5V经极性转换开关S1向电池E快速充电。由于集成块IC1的2、3、4脚和电容C4共同组成振荡谐振电路，其2脚输出的振荡脉冲经电阻R16送至充电指示灯LED1（绿）的正极，其负极接到集成块IC1的8脚。在电池刚接人电路时，集成块IC1的8脚输出的电平越低，充电指示灯LED1闪烁发光强。随着充电时间延长，电池所充的电压慢慢升高，集成块IC1的8脚输出电压慢慢升高，充电指示灯LED1闪烁发光逐渐变弱。

　　当电池E慢慢充到4．2V左右时，集成块IC1的6脚电位也达到其内部的参考电压1．8V。此时，集成块IC1内部电路动作，使其8脚电压输出高电平，三极管VT3截止，充电指示灯LED1不再闪烁发光而熄灭，充满指示灯LED2（绿）由灭变亮。

　　稳压保护电路

　　该电路主要由三极管VT1、稳压二极管VDZ1等组成。

　　过压保护：当输出电压升高时，在变压器T 1-2反馈绕组端感应的电压就会升高，则电容C2所充电压升高。当电容C2两端电压超过稳压二极管VDZ1的稳压值时，稳压二极管VDZ1击穿导通，三极管VT2的基极电压拉低，使其导通时间缩短或迅速截止，经开关变压器T1耦合后，使次级输出电压降低。反之，使输出电压升高，从而确保输出电压稳定。

　　过流保护：在接通电源瞬间或当某种原因使三极管VT2的电流过大时，在R5、R6上的压降就大，使过流保护管VT1导通，VT2截止，从而有效防止开关管VT1因冲击电流过大而损坏。同时电阻R6上的压降，使电容C2两端电压升高，此后过流保护过程与稳压原理相同，这里不再重复。三极管VT1是过流保护管，R5、R6是VT2的过流取样保护电阻。

图2  万能充电路图

　　绝大部分手机充电器都有充满自停功能，但其实现的方式不同导致其充电效果不同。由于充电电流一般较大，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池寿命。设计比较科学的充电器，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。

　　高频开关电源技术

　　高频开关电源电路一般主要包括以下几部分：

　　抗干扰电路（EMI）：由一个线圈和两个电容组成，通常有两级EMI。功能是滤除由电网进来的各种干扰信号，防止电源开关电路形成的高频扰窜电网。

　　PFC电路：PFC（Power Factor Correction）即“功率因子校正”，主要用来提高电子产品对电能的利用效率。开关电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因子不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。

　　整流滤波电路：高压整流滤波电路由一个全桥（有些简易型的采用半波整流）和高压电解电容组成。把220V交流市电转换成300V直流电。低压整流滤波电路由二极管和电解电容组成。

　　开关电路：一般包含精密稳压、PWM 控制、开关管、驱动变压器。

　　保护电路：好的充电器设计一般都包含各种保护功能，如输入过压保护、输入过流保护、输出过流保护、输出过压保护、输出短路保护、过温保护等。

　　简易自激式开关电源充电器电路

　　下图为一款NOKIA手机通用充电器的电路。主要由开关电源、基准电压、充电控制、放电控制和充电指示等电路组成。该型手机充电器的电路非常简单，实为一自激式开关电源，全部采用分立器件组成，成本低廉。

图3  手机通用充电器的电路

　　AC220V电压经D3半波整流、C1滤波后得到约+300V电压，一路经开关变压器T初级绕组L1加到开关管Q2 c极，另一路经启动电阻R3加到Q2 b极，Q2进入微导通状态，L1中产生上正下负的感应电动势，则L2中产生上负下正的感应电动势。L2中的感应电动势经R8、C2正回馈至Q2 b极，Q2迅速进入饱和状态。在Q2饱和期间，由于L1中电流近似线性增加，则L2中产生稳定的感应电动势。此电动势经R8、R6、Q2的b-e结给C2充电，随着C2的充电，Q2 b极电压逐渐下降，当下降至某值时，Q2退出饱和状态，流过L1中的电流减小，L1、L2中感应电动势极性反转，在R8、C2的正回馈作用下，Q2迅速由饱和状态退至截止状态。这时，+300V 电压经R3、R8、L2、R16对C2反向充电，C2右端电位逐渐上升，当升至一定值时，在R3的作用下，Q2再次导通，重复上述过程，如此周而复始，形成自激振荡。在Q2导通期间，L3中的感应电动势极性为上负下正，D7截止；在Q2截止期间，L3中的感应电动势极性为上正下负，D7导通，向外供电。

　　图中，VD1、Q1等组件组成稳压电压。若输出电压过高，则L2绕组的感应电压也将升高，D1整流、C4滤波所得电压升高。由于VD1两端始终保持5.6V的稳压值，则Q1 b极电压升高，Q1导通程序加深，即对Q2 b极电流的分流作用增强，Q2提前截止，输出电压下降，若输出电压降低，其稳压控制过程与上述相反。

　　另外，R6、R4、Q1组成过流保护电路。若流过Q2的电流过大时，R6上的压降增加，Q1导通，Q2截止，以防止Q2过流损坏。

　　适用于多种电池的充电器电路

　　接下来介绍一款MOTO手机旅行充电器。该充电器具有镍镉、镍氢、锂离子电池充电转换开关，并具有放电功能。在150～250V、40mA的交流市电输入时，可输出300±50mA的直流电流。

图4  MOTO手机旅行充电器电路

　　220V市电经VD1～VD4桥式整流后在V2的c脚上形成一个300V左右的直流电压。由V2和开关变压器组成间歇振荡器。开机后，300V直流电压经过变压器初级加到V2的c脚，同时该电压还经启动电阻R2为V2的b极提供一个偏置电压。由于正回馈作用，V2 Ic迅速上升而饱和，在V2进入截止期间，开关变压器次级绕组产生的感应电压使VD7导通，向负载输出一个9V左右的直流电压。开关变压器的回馈绕组产生的感应脉冲经VD5整流、C1滤波后产生一个与振荡脉冲个数呈正比的直流电压。此电压若超过稳压管VD17的稳压值，VD17便导通，此负极性整流电压便加在V2的b极，使其迅速截止。V2的截止时间与其输出电压呈反比。

　　VD17的导通／截止直接受电网电压和负载的影响。电网电压越低或负载电流越大，VD17的导通时间越短，V2的导通时间越长，反之，电网电压越高或负载电流越小，VD5的整流电压越高，VD17的导通时间越长，V2的导通时间越短。V1是过流保护管，R5是V2 Ie的取样电阻。当V2 Ie过大时，R5上的电压降使V1导通，V2截止，可有效消除开机瞬间的冲击电流，同时对VD17的控制功能也是一种补偿。VD17以电压取样来控制V2的振荡时间，而V1是以电流取样来控制V2振荡时间的。

　　如果是为镍镉、镍氢电池充电，由于这类电池存在一定的记忆效应，需不定时对其进行放电。SW1是镍镉、镍氢、锂离子电池充电转换开关。SW1与精密基准电源SL431为运放LM324⑨提供两个不同的精密基准源，由SW1切换。在给镍镉、镍氢电池充电时，LM324⑨脚的基准电压约0．09V（空载）；在给锂离子电池充电时，LM324⑨脚的基准电压约为0．08V（空载），这种设计是由这两种类型电池特有的化学特性决定的。按下SW2，V5基极瞬间得一低电平而导通，可充电池上的残余电压通过V5的ec极在R17上放电，同时放电指示灯VD14点亮。在按下SW2后会随即释放，这时可充电池上的残余电压通过R16、R13分压，C9滤波后为V4的b极提供一个高电平，V4导通，这相当于短接SW2。随着放电时间的延长，可充电池上的残余电压也越来越低，当V4基极上的电压不能维持其继续导通时，V4截止，放电终止，充电器随即转入充电状态。

　　由于锂电不存在记忆效应，当电池低于3V时便不能开机，其残余电压经电阻R40、R41分压后得到2.53V送入运算放大器的同相端③、⑤、⑩脚，由于LM324⑨脚电压在负载下始终为2.66V，因此⑧脚输出低电平，V3导通，＋9V电压通过V3 ec极、VD8向可充电池充电。IC1 ｄ在电容C6的作用下，{14}脚输出的是脉冲信号，由于IC1⑧脚为低电平，因此VD12处于闪烁状态，以指示电池正在充电，对应容量为20%。随着充电时间的延长，可充电池上的电压逐渐上升。当R40、R41的分压值约等于2．58V时，即IC1③脚等于2．58V时，IC1②脚经电阻分压后得2．57V，其①脚输出高电平（由于在充电时，IC1⑨脚电压始终是2．66V，V6导通；反之在空载时，IC1⑨脚为0．08V，V6截止），VD10、VD11点亮，对应指示容量为40%、60%。当R40、R41的分压值上升到2．63V时，即IC1⑤脚等于2．63V，其⑥脚经电阻分压后得2．63V，⑦脚输出高电平，VD9点亮，对应充电容量为80%。只有IC1⑩脚电压≥2．66V时，⑧脚才输出高电平，VD13点亮，对应充电容量为100%。即使VD13点亮时，VD12仍处于闪烁状态，这表示电池仍未达到完全饱和。只有IC1⑧脚电压＞6．5V时，VD12才逐渐熄灭，表示电池完全充至饱和。

　　VD16在电路中起过充、过流保护作用，VD8起反向保护作用，避免充电器断电后，电池反向放电。

　　采用PWM专用芯片的充电器电路

　　比较新型的旅行充电器设计，多采用内置高压MOSFET的PWM控制器专用芯片。典型的如SD4840，内部框图如下。

图5  SD4840内部框图

　　该芯片专为小型开关电源而设计，电路待机功耗低，启动电流低。在待机模式下，电路进入打嗝模式，从而有效地降低电路的待机功耗。电路内部集成了各种异常状态保护功能，包括欠压锁定、过压保护、脉冲前沿消隐、过流保护和过温保护等功能。在电路发生保护后，电路可以不断自动重启，直到系统正常为止。

　　使用SD4840芯片增加少量的外围元器件，即可很容易设计出性能和功能都不错的手机充电器电路，效率和可靠性都有保证。如上图是一款手机充电器外型及内部结构，其内部电路如下图所示。

图6  SD4840内部电路图

　　编辑点评：本文介绍了手机万能充电器的电路原理图，简易自激式开关电源充电器电路主要由开关电源、基准电压、充电控制、放电控制和充电指示等电路组成；MOTO手机旅行充电器，该充电器具有镍镉、镍氢、锂离子电池充电转换开关，并具有放电功能；采用PWM专用芯片的充电器电路，比较新型的旅行充电器设计，多采用内置高压MOSFET的PWM控制器专用芯片。
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