手机充电器浅析
作者：www.linkwan.com?林和安 vincent
当今世界，手机普及率已经非常之高。根据国际电信联盟（简称ITU）2011年初的统计，截止2010年底全球网民数量为20.8亿，手机用户数量为52.8亿！当前全球人口数量略超68亿，已接近人手一机。而弹丸之地的香港，更是人均超过一部。
谈手机就离不开充电器。常用的手机充电器大致可以分为旅行充电器、座式充电器和维护型充电器，一般使用最广泛的是旅行充电器。旅行充电器的形式也有多种多样，最常见的就是价格便宜的微型旅充。大部分旅充都属于快速充电器，充电时间在1-3小时左右，一般都有充满自停的功能。
市场上很多充电器都标榜自己采用微电脑控制，包括一些价格非常便宜的微型旅充。其实严格从电路上分析，很多产品外观类似但内部线路却大不一样，其性能也大不同。一些充电器自诩为“微电脑控制”，其实其设计连廉价的运算放大器IC都不用。而一些专用的充电控制IC单价较高，一般用于比较高档或名牌的充电器中。所以我们不能轻信所谓“微电脑控制”，尤其是廉价型产品。
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
环保节能已成为大家的共识，充电器产品也不例外。现在的充电器产品，多采用高频开关电源技术，将输入的较高的交流电压(AC)转换为手机充电所需要的较低的直流电压(DC)。输出电压的稳定则是依赖对脉冲宽度的改变来实现，这就叫做脉宽调制PWM。
当市电进入充电器后，先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波得到高压直流电。接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电，再送高频开关变压器降压。然后滤除高频交流部分，这样最后输出相对纯净的低压直流电供电池充电用。采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，典型的充电器效率为70%-80%，而采用传统的线性稳压电路，效率一般仅有50%左右。
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。
一般简易的手机旅行充电器，功率都很小，实际对电网的影响有限，对电源质量如稳压精度、谐波含量等要求也不高，也为了降低成本，其EMI和PFC电路都简化设计或根本不采用。
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。
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。
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。
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。
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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。
欠压锁定和自启动电路
开始时，经过整理和滤波后的高压DC通过启动电阻R2R3对Vcc脚电容充电。当Vcc充到12V，U1开始工作。一旦电路发生保护，输出关断，由于此时U1供电由辅助绕组经D6提供，Vcc开始降低，当Vcc低于8V，控制电路整体关断，电路消耗的电流变小，又开始对Vcc脚的电容充电，启动电路重新工作。
内置软启动电路
为了减小在上电过程中变压器的应力，防止变压器饱和，使得输出电流的最大值启动后缓慢增加。上电时，U1回馈电压值由内部决定，缓慢增加。从而决定了内部的最大限制电流缓慢增加，经过约15ms，软启动电路结束工作，对正常工作不影响。
频率抖动电路
为了降低EMI，本电路使得振荡频率不断变化，减少在某个单一频率的对外辐射。振荡频率在一个很小的范围内变动，从而简化EMI设计，更容易满足要求。
轻载模式控制
该方式可以有效地降低待机功耗。当FB大于500mV，正常工作。当 350mV<FB <500mV 时 有两种情况，一种情况是，FB 电压由低到高，此时与低于 350mV 情况一样，开关不动作。另一种情况是，FB 电压由高到低，为减小开关损耗，避免开关导通时间过短，此时调高电流比较器的比较点，增加导通时间。在轻载条件下，开关调节情况如下：轻载时，FB 电压在约 0.5V 以下。当 FB 电压由高到低变化时，由于电流比较器的比较点较高，输出功率较大，输出电压升高（升高的快慢取决于负载的 大小），使得 FB下降，直至 FB 电压低于 350mV；当 FB<350mV，开关不动作，输出电平下降（下降的快慢取决于负载的大小），使得 FB 升高。当负载较轻时，以上动作重复变化，输出间断 脉冲，减少了开关次数，实现了较低的功耗。
前沿消隐电路
在U1内部电流控制环路中，当开关导通瞬间会有脉冲峰值电流，如果此时采样电流值，会产生错误触发动作，前沿消隐用于消除这种动作。在开关导通之后的一段时间内，采用前沿消隐消除这种误动作。在电路有输出驱动以后，PWM 比较器的输出要经过一个前沿消隐时间才能去控制关断输出。
过压保护
当VCC上的电压超过过压保护点电压时，表示负载上发生了过压，此时关断输出。该状态一直 保持，直到电路发生上电重启。
超载保护
当电路发生超载，会导致FB电压的升高，当FB电压升高到回馈关断电压时，输出关断。该状态一直保持，直到电路发生上电重启。
逐波限流
在每一个周期，峰值电流值由比较器的比较点决定，该电流值不会超过峰值电流限流值，保证MOSFET上的电流不会超过额定电流值。当电流达到峰值电流以后，输出功率就不能再变大，从而限制最大的输出功率。如果负载过重，会导致输出电压变低，反映到FB端，导致FB升高，发生超载保护。
异常过流保护
如果次级二极管短路，或变压器短路，会引起该现象。此时，不管前沿消隐（L.E.B）时间，一旦过流，过 350nS 马上保护，且对每一个周期都起作用。在电流感应电阻上的电压达到 1.6 伏时，发生这个保护。当发生该保护时，输出关断。该状态一直保持，直到发生欠压以后，电路启动。
过热保护
如果电路发生过热，为了保护电路不会损坏，电路会发生过热保护，关断输出。该状态一直保持，直到发生欠压以后，电路启动。
手机充电器的安全
在电子市场上，我们会发现这样一个问题，外观“长”的几乎一样的充电器，有的售价不到10元，有的超过100元，在当前“山寨”流行的情况下尤其如此。通过以上介绍的3款不同手机充电器电路设计可见，有不同的设计理念，不同的电路应用，不同的器件，带来不同的功能和性能，不同的质量和可靠性。其实，还是印证了那句古话“一分钱一分货”。
特别是手机充电器的安全性，似乎看不见也摸不着，容易被忽视。好的充电器电路设计都内设有短路及过流的保护装置，生产符合IEC 60950规格， 符合国际安全标准。而太廉价的“山寨”货，可能存在安全隐患。
安全性不能仅仅通过输出特性的检查来确定，因为输出特性良好并不能保障充电器的安全可靠，所以需对充电器的全面性能进行考察，包括对变压器、电源线等元器件的安全要求和结构设计要求。充电器安全的最核心问题，应保证在故障条件下都不对人身安全构成威胁，除应具有电气防护功能外，也应具有防火防护功能。
下面列举一些相关标准对手机充电器安全性方面的要求：
结构稳定性：直接插在墙壁插座上、靠插脚来承载其重量的充电器，不应使墙壁插座承受过大的应力，可通过插座应力试验检验其是否合格。充电器应按正常使用情况，插入到一个已固定好的没有接地接触件的插座上，该插座可以围绕位于插座啮合面后面8mm的距离处，与管件接触件中心线相交的水平轴线转动。为保持啮合面垂直而必须加到插座上的附加力矩不应超过0.25Nm。
防触及性（电击及能量危险）：充电器正常使用时应具有防触及性，防止电击及能量危险。如果特低电压电路的外部配线的绝缘是操作人员可触及的，则该配线应不会受到损坏或承受应力，也不需要操作人员接触。
绝缘电阻：在常温条件下，用绝缘电阻测试仪直流500 V电压，对充电器主回路的一次电路对外壳、二次电路对外壳及一次电路对二次电路进行测试，充电器的绝缘电阻应不低于2 MΩ。
绝缘强度：用耐压测试仪对充电器进行绝缘强度试验，且充电器必须是在进行完绝缘电阻试验并符合要求后才能进行绝缘强度的试验。一次电路对外壳、一次电路对二次电路应能承受50 Hz、有效值为1500 V的交流电压（漏电流≤10 mA），二次电路对外壳应能承受50 Hz、有效值为500 V的交流电压（漏电流≤10 mA），应无击穿与无飞弧现象。试验电压应从小于一半规定电压值处逐步升高，达到规定电压值时持续1 min。
异常工作及故障条件下的要求：充电器的设计应能尽可能限制因机械、电气超载或故障、异常工作或使用不当而造成起火或电击危险。
材料的可燃性要求：充电器外壳和印制板及元器件所用的材料应能使引燃危险和火焰蔓延减小到最低限度，为V－2级或更优等级。在进行耐热及防火试验时，V-0级材料可以燃烧或灼热，但其持续时间平均不超过5s，在燃烧时所释放的灼热微粒或燃烧滴落物不会使脱脂棉引燃。V-1级材料可以燃烧或灼热，但其持续时间平均不超过25s，在燃烧时所释放的灼热微粒或燃烧滴落物不会使脱脂棉引燃。V-2级材料可以燃烧或灼热，但其持续时间平均不超过25s，在燃烧时所释放的灼热微粒或燃烧滴落物会使脱脂棉引燃。自由跌落试验：充电器从1m高度处自由跌落到硬木表面3次，其表面应无裂痕等损坏。