【学术论文】防火节能型手机充电器
摘要
使用手机充电器充电后常常忘记拔充电器，或是充电器接入电源时产生的很大的浪涌电流，均会加速高压电子元件的老化，容易发生故障引发火灾。充电器长期处于待机工作状态时消耗100~800mW电量。为此提出防火节能型手机充电器，这种充电器将待机功耗降低至13 mW，因此无需拔出充电器从而满足用户的使用习惯。而且该充电器可以吸收浪涌电流，同时还具有定时充电、过流及短路保护等功能，从而防止火灾的发生。
中文引用格式： 尹靖雯，林靖虎，金永镐. 防火节能型手机充电器[J].电子技术应用，2019，45(4)：131-134.
英文引用格式： Yin Jingwen，Lin Jinghu，Jin Yonggao. Fireproof and energy saving mobile phone charger[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(4)：131-134.
0 引言
随着现代电子技术的高速发展，手机已成为人们生活中必不可少的一部分，而手机充电器作为手机最为重要的配件[1]，却频频引发电能浪费及火灾等安全事故的发生，因此其性能的好坏一直也是备受瞩目的焦点。
现有的充电器是由小功率开关电源组成的，通过桥式整流，经过电解电容滤波后提供给开关电源控制芯片[2]。控制芯片产生的高频PWM脉冲通过高频变压器降压，再经过高频整流滤波后提供给手机电池充电[3]。
现有的手机充电器存在如下问题：
(1)经过长时间工作后，整流桥、电解电容、开关电源控制芯片老化引起故障，从而导致过流、短路引起火灾。特别是人们习惯充电完后未拔出充电器时更为严重；
(2)每次接通电源时电解电容受到很大的浪涌电流冲击，加快老化速度；
(3)充完电后未拔出充电器，长期处于待机工作状态消耗电量，造成电能浪费；
(4)瞬间过压的能力差，一旦发生瞬间过压容易产生元件损坏导致过流、短路引起火灾。
鉴于上述问题提出防火节能型手机充电器，这种充电器利用由场效应管和低功耗单片机组成微功耗智能型电子开关，正常充电时电子开关饱和导通进行充电，当充电结束时自动断开充电器进入待机状态，其待机功耗约13 mW，几乎不耗电，可长期接通电源。一旦充电器故障引起短路、过流，则快速自动断开，并提示故障。且可吸收浪涌电流，能承受600 V、5 s的瞬时过压，大大提高了充电器的安全性。
1 现有的各种充电器的输入电流特性分析
现有的手机充电器是将220 V交流电经整流滤波后提供给变换器[4]，因滤波时使用容量大的电容，因此每次接通电源时产生的浪涌电流会冲击整流桥和滤波电容从而加速老化。
图1为对三星、华为、通用手机充电器的实测浪涌电流波形，可见三星充电器的浪涌电流较小约2 A，维持时间约1 ms；通用手机充电器的浪涌电流较大约3.4 A，维持时间约0.2 ms；华为充电器的浪涌电流约2.4 A，维持时间约30 μs。
以上三种手机充电器中，华为的充电功率最大，正常充电时工作电流最大，为了对比浪涌电流和正常充电时的工作电流，实测了华为充电器在220 V状态下正常充电时的工作电流波形，如图2所示。
可见充电时的工作电流约0.22 A，远远小于接通时产生的很大的浪涌电流，说明接通时电流较大但正常工作时电流较小。
2 防火节能型手机充电器的整体框图和功能
图3为防火节能型手机充电器的整体框图，主要由交流220 V电源、快速限流器、充电用5 V变换器、微功耗降压电源、5 V/3.3 V变换器、MK6A12单片机及S1组成。
微功耗降压电源以低功耗方式给5 V/3.3 V变换器提供电源，为了降低待机功耗，待机状态下使用3.3 V，正常充电时使用5 V，由单片机来控制。
为了便于操作，用一个3色LED和单键S1操作使用。图4为操作示意图，按一下S1 0.3~0.5 s绿色LED亮，此时定时时间为1小时；再按一下S1 0.3~0.5 s黄色LED亮，定时时间为3小时，一旦定时时间到将自动断电。若想手动关闭电源，按住S1 1~3 s后LED灯灭，此时进入待机状态。若红色LED灯亮，说明此时发生故障。
为了降低功耗，LED指示灯以0.2 s亮0.6 s灭的方式工作。
3 防火节能型手机充电器
3.1 快速限流电路设计
控制电路如图5所示，以华为手机充电器为例，其正常充电时工作电流约0.2 A，若设定过流保护点为0.5 A，则能满足所有充电器的要求。当出现过流、短路电流超过0.5 A时，由Q2组成的硬件电路进行快速限流，再经过单片机分析后停止充电，此时红色LED闪亮表示故障。
由Q2、Q3、R4、R5、R6及单片机U1组成快速限流电路。
采用图解法确定限流电阻R4。Q2的UGS和ID之间的关系应同时满足式(1)表示的转移特性关系及式(2)表示的外部特性关系，如图6所示。
式(2)中UA=5 V，由于R5、R6远远大于R4，因此R5、R6对R4影响忽略不计。
可见当限流电流约为0.5 A时R4=3.3 Ω、UGS≈3.3 V。当充电器正常工作时只需约0.2 A的电流，此时场效应管工作在B点，UGS≈4.3 V，此时Q2可提供的电流远大于1 A，因此Q2处于饱和导通状态。
当电路处于限流时R4两端的电压经过R5、R6分压后应得的电压应大于0.5 V使Q3导通，为此应满足式(3)的条件。
式中ID=0.5 A为过流保护点，R4=3.3 Ω，因此选取标称值R5=1 kΩ，R6=2.2 kΩ。
3.2 超低功耗待机电源设计
充电器处于待机状态时，为了实现超待机功耗的目的，设计超低功耗串联型线性稳压电源，平时只提供小于50 μA的电流，当LED工作时提供2 mA左右的电流，如图7所示。
将220 V交流电压通过D2进行整流后经R3限流后利用D3稳压，由于限流电流很小，D3两端获得约为9 V的脉动电压，此电压经过Q1驱动后在C1上产生约为6.5 V的电压。
HT1050和HT1033均为低功耗稳压芯片，这种芯片最大输入电压为12 V，静态电流为2.2 μA，最大输出电流为30 mA[5]。5 V、3.3 V电压切换是利用HT1033来实现的。
5 V/3.3 V端连接到U1的漏极开路输出端PB2，上电时U1的PB0引脚的场效应管导通，将短路R8，因此HT1033输出为3.3 V。当PB0引脚的场效应管漏极开路时，R7、R8对输出电压分压后提供给HT1033的1脚，此时输出电压Ux取决于式(4)。
式中U0=3.3 V是HT1033的输出电压，I0=2.2 μA是HT1033的静态电流，为了降低功耗，将R7、R8的电流限制在10 μA以内，应满足式(5)的条件。
根据式(5)可得R7≥330 kΩ，因此选取标称值330 kΩ，为得到Ux≈5 V的工作电压将R7=330 kΩ代入式(4)可得到R8=142 kΩ，因此选取标称值R8=150 kΩ，得Ux=5.1 V。
3.3 超低功耗控制器的设计
MK7A23和MK6A12都是一种性能价格比很高的单片机，内含4 MHz的RC振荡器（可通过外部电阻设定频率）、WDT及复位电路，工作电压为2.5~5 V，价格很低廉，功耗低，非常适合于各种工业控制器[6]。
表1为MK6A12P的工作频率、工作电压与电流之间的关系。可见振荡频率为32 kHz、工作电压为5 V时其工作电流为290 μA，而工作电压切换至3.3 V时其电流仅为4.3 μA，大大减少了待机功耗。
如图5所示电路中，由Y1、C2、C3、U1、R1、D1、S1组成控制器，Y1使用32.768 kHz的晶振。充电时按一下S1则U1开始定时，并把PB0变成高电平Q2饱和导通，5 V变换器得到电压开始充电。当充电器发生过流、短路时其脉冲电流超过设定值0.5 A，经由Q2组成的硬件电路进行快速限流，PB1为低电平经过U1检测后将PB0变成低电平关闭Q2。
3.4 待机功耗计算
U2=220 V是交流电有效值，将I1=4.3 μA、I0=2.2 μA、U0=3.3 V代入后可得P≈13 mW，实现了待机功耗小于20 mW的目的。
4 实验结果分析
图8、图9、图10为Q2的ID分别为0.3 A、0.4 A、大于0.5 A时UDS、ID、UR4的实测工作波形。
当ID=0.3 A时，UDS≈0.8 V；当ID=0.4 A时，UDS≈1.2 V；当ID＞0.5 A时，UDS≈26 V，UR4≈2 V。可见，当ID<0.5 A时，Q2几乎进入饱和状态；当ID>0.5 A时，UR4稳定不变，Q2迅速退出饱和状态，ID开始限幅将电流限制在0.5 A以内。
5 结论
通过实验证明，这种充电器可以吸收由导通瞬间产生的较大的浪涌电流，而且当充电器出现故障引起短路、过流时，可以提示故障并快速自动保护，有效地防止了火灾的发生。
同时其整机的待机功耗约13 mW，几乎不耗电，可以长期接通电源使用，还可定时充电，满足了人们的使用习惯。
参考文献
[1] 孙超，王春芳.手机充电器的比较[J].通信电源技术，2015，32(1)：62-63.
[2] 陶跃，张平华，张进，等.基于52单片机智能手机充电器的应用研究[J].电脑知识与技术，2015，11(26)：202-204.
[3] 党自恒，马志勤，王亚军，等.手机充电器充电过程研究[J].中国市场，2015(27)：267-268，288.
[4] 吕志方.浅谈充电器的原理与维修[J].科技风，2017(12)：276.
[5] 金永镐，方思然.简易型消防防盗两用智能锁的研制[J].电子科技，2017，30(5)：116-119.
[6] 金永镐，王海月.基于SEPIC变换器的AC宽电压爆闪式信号灯设计[J].电子技术应用，2016，42(11)：126-129.
作者信息:
尹靖雯，林靖虎，金永镐
（延边大学 工学院，吉林 延吉133002）