1、 本科 毕业设计 绿色手机充电器 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 开关电源技术是电力电子技术的的重要组成部分和应用领域。它以其体积小，重量轻，效率高的主要特点，受到各国研究者和使用者的青睐。近年来，随着电子设备向小 型化和集成化的方向发展，越来越多的可移动的便携式电子设备为人们的生活和工作带来了极大的便利。为了满足这些便携式电子设备越来越强大的功能，大容量电池的研究已经受到越来越多的重视，而作为配套的电池充电器的研究也就越来越重要，它应该具有体积小、重量轻、效率高等特点。因此开关电源是作为电池充电器的最理想的选择。 文中首先
2、对开关电源的分类做了简单的分析，接着对锂电池的性能、化学原理及常用的充电方法进行了详细的介绍，本文采用了以恒流恒压充电法为基础的三阶段法：第阶段使用小电流对电池进行预处理，对出现过放电的电池进行修 复和保护；第二阶段采用较大的恒定电流对电池充电，实现快速充电的目的；第三阶段采用恒压充电，确保电池充满。然后着重说明开关电源的系统设计和原理以及对本设计用到的 LinkSwitch-II 系列开关电源芯片进行了分析与介绍，最后研究充电器的保护电路，分析单片机 PIC16C74 的结构和功能。 关键词 ： 开关电源 ;充电器 ;PIC16C74;锂电池 II Abstract Switching mo
3、de power supply（ SMPS） is an important part of the power electronics. More and more countries attach importance to it because of its smaller volume, lighter weight and high efficiency. Recently, the increasing portable equipments bring advantage to the peoples life with the developmet trend to minia
4、turization and integration of the electro-equipments. These equipments require the powerful batteries. And the chargers of these batteris are also important. The SMPSbecome the appropriate structure of the chargers of the Li-ion battery beacause of its characteristics. In this paper, the composition
5、 and chemical principle of the Li-ion and Li-polymer battery are firstly presented, The charging mode based on the CC/CV has been adopted, in which the process has been divided into three phases. At the first phase, the battery is pre-charged with a trickle current to repair and protect the over-dis
6、charged battery; at the secondary phase,the battery will be charged by a large constant current to allow the fast charging; at the last phase, the constant voltage charging is adopted to guarantee the battery fully charged.which are followed by their characteristic and common charging approaches int
7、roduction. And then, the whole structure and principle of this chager is illuminated. At last, the design and realization of actual circuits are emphasized and the LinkSwitch-II series of Switching mode power supply（ SMPS） are presented. Finally the protection circuit research charger， Analysis of t
8、he structure and function of PIC16C74 MCU Key words： Switching mode power supply;Battery charger;PIC16C74; Lithium battery III 目录 第 1章 绪论 .1 1.1 开关电源的简介 .1 1.2 开关电源的电路原理 .1 1.3 手机电池的发展历史 .2 1.4 开关电源的发展方向 .2 1.5 本 课题的研究目的和意义 .2 第 2章 开关电源的分类 .3 2.1 按激励方式划分 .3 2.2 按调制方式划分 .4 2.3 按功率开关的类型划分 .4 2.4 按功率开关
9、的连接方式划分 .5 第 3章 锂电池性能及常用的充电方法 .7 3.1 锂电池的类别及其化学原理 .7 3.2 锂电池的性能及特点 .8 3.3 可充电电池的主要充电方法 .9 3.3.1 恒流充电 .9 3.3.2 恒压充电 .9 3.3.3 恒压限流充电 .10 3.3.4 普通恒流恒压充电（ CC/CV） .10 3.3.5 分级定流充电法 .11 第 4章 开关电源的系统设计 .12 4.1 开关电路的基本构成 .12 4.2 LinkSwitch-II 产品系列 .12 4.3 开关电源的电路设计 .15 4.3.1LNK613DG 集电极上的 波形 .16 4.3.2 LNK61
10、3DG 反馈引脚的检测电压 .17 4.3.3 次级输出电压的纹波 .18 第 5章 充电器的保护电路 .19 5.1 锂离子电池及其保护电路概述 .19 IV 5.1.1 需要保护电路的原因 .19 5.1.2 锂离子电池保护电路的功能 .19 5.2 保护电路的工作原理 .19 5.3 PIC16C74 单片机 .20 5.3.1 A/D 变换 .22 5.3.2 外接 MOSFET 选择 .22 5.3.3 过流保护的设计 .22 总结与展望 .23 参考文献 .24 附录 1 PCB 与实物图 .25 1 第 1 章 绪论 1.1开关电源的简介 随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，
11、特别是微处理器和半导体产业的开发利用，孕育了电子系统的新代产品。现代电子电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在 着效率低（般只有 40% 50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度及调整范围小等缺点。开关电源（ Switch Mode Power Supply,即 SMPS）利用现代电力电子技术控制开关晶体管开通和关断的时间比率，来维持稳定的输出电压。在拥有线性电源的优点基础上，其效率可达 85%以上，稳压范围宽。与此同时，还具有体积小、重量轻、稳压精度高、抗干扰能力强等特点，是种较理想的稳压电源，并且还在不断的发展进步中
12、。 随着电力电子技术的高速发展， 电力电子设备 与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电 源，进入 80年代 计算机电源 全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域， 程控交换机 、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。 1.2开关电源的电路原理 所谓开关电源，顾名思义，就是这里有扇门，开门电源就通过，关门电源就 阻断。 那么什么是门呢 ？ 开关电源里有的采用可控硅，有的采用开关管，这两个元器件性能差不多，都是靠基极、（开关管）控制极（可控硅）上加上脉冲信号
13、来完成导通和截止的，脉 冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通，由 220V 整流、滤波后输出的 300V 电压就导通，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压升高或降低，供各个电路工作。振荡脉冲负半周到来，电源调整管的基极、或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压，电源调整管截止， 300V 电源被关断，开关变压器次级没电压，这时各电路所需的 工作电压 ，就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持。待到下个脉冲的周期正半周信号到来时，重复上个过程。那么推动开关管或可控硅的脉冲如何获得呢，这就需要有个振荡电路产生，我们知道，晶体 三极管有个特性，就是基极对发射极电压是 0.65-
14、0.7V 是放大状态， 0.7V 以上就是饱和导通状态， -0.1V- -0.3V就工作在振荡状态，那么其工作点调好后，就靠较深的负反馈来产生负压，使振荡管起振，振荡管的频率由基极上的电容充放电的时间长短来决定，振荡频率高输出脉冲幅度就大，反之就小，这就决定了电源调整管的输出电压的大小。那么变压器次级输出的工作电压如何稳压呢，般是在开关变压器上，单绕组线圈，在其上端获得的电压经过整流滤波后，作为 基准电压 ，然后通过光电耦合器，将这个基准电压返回振荡管的基极，来调整 震荡频率的高低，如果变压器次级电压升高，本取样线圈输出的电压也升高，通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高，这个电压加到振荡管基极
15、上，就使振荡频率降低，起到了稳定次级输出电压的稳定，这样大功率的电压由开关变压器传递，并与后级隔开，返回的取样电压由光耦传递也与后级隔开，所以前级的市电电压，是与后级分离的，这就叫冷板，是2 安全的，变压器前的电源是独立的，这就叫开关电源。 1.3 手机电池的发展历史 目前手机电池主要分为三种：镍镉电池、镍金属氢电池和锂离子电池。镍镉电池的最大特点是结实、通话时间长。在早期的模拟 手机时代，手机电池几乎占据了手机机身的半，重量上也达到整体手机 2/3 的比例，这种手机电池无疑影响了手机的便携性。随着手机性能的提升及小型轻量化的发展趋势，手机电池从早期的镍镉电池为主，逐步过度到以镍氢为主。因为它
16、不含有镉金属，不会污染环境镍金属氢电池又叫环保手机电池。它的电量储备比镍镉电池多 30到 50以上，手机的通话时间也因此能够延长 30。 随着锂电池成本的迅速下降，目前市场上的主流手机基本上都已采用手机锂离子电池。这方面是因为锂电池的轻薄小巧，另方面是因为手机锂电池的容量更大，输出功率密度更高 ，充电速度更快。手机锂离子电池是种高能量密度的手机电池，它与同样大小的镍镉电池、镍金属氢电池相比，电量储备更大、重量也更轻。手机锂离子电池还是种智能手机电池，它可以与专用的智能充电器 “ 交谈 ” ，达到最短的充电时间和最大的寿命周期及最大的容量。 1.4开关电源的发展方向 开关电源的发展方向 是高频、
17、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体 (Mn Zn)材料上加 大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度 (Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是项关键技术。 SMT 技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的 PWM开关技术进行创新，实现 ZVS、 ZCS 的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。 模块化是开关电源发展的总体趋势，
18、可以采用模块化电源组成分布式电源系统， 将其 设计成 N+1 冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这缺点，若单独追求 高频化 ， 其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。 1.5 本课题的研究目的和意义 在全球能源愈来愈稀缺的情况下，世界各国都普遍重视当前的能源问题，如何有效的节约能源，充分利用能源，减少各类污染物的排放，竭力维护及改进现有的环境，走可持续发展的道路。而目前在世界各国都存在的普遍问题就是电力问题，就人们日常
19、的开关电源的待机损耗为例。据美国统计 ,在待机损耗下有 35 54 亿美元，在德国，损耗每年有 23 亿美元，超过柏林全年用电总和。而只要采用新的些节能芯片之后就可把以前的 5 10W 的待机损耗降到 1W 以下，甚至 0.1 W 以下，可想而知所能节约下的能源会有多大。而本课题所研究的问题就是在现有开关电源的基础之上，制作种高效绿色的开关电源手机充电器，使我们的电能转化效率更高，能耗更小，更节能，更环保。 3 第 2 章 开关电源的分类 2.1 按激励方式划分 （ 1）它激式开关电源电路。这种形式电路具有工作稳定、可靠和便于控制的优点。般应用于大功率和超大功率输出 场合。示意图如 2.1。
20、图 2.1 它激式开关电源电路 （ 2）自激式开关电源电路。该电路中的功率开关管既作功率开关，又作 PWM 驱动信号产生的振荡管。具有内部损耗小，转换效率高，成本低等优点。应用于小功率和中功率输出场合。示意图如 2.2。 R1 R2 R3 整流 滤 波 电 路 PWM 发生器 PWM 控制 与驱动电路 输出滤波 取样反馈 控制电路 220V/50Hz R1 R2 R3 整流 滤 波 电 路 PWM 控制与驱动电路 输出滤波 取样反馈 控制电路 220V/50Hz 4 图 2.2 自激式开关电源电路 2.2按调制方式划分 （ 1）脉宽调制型开关电源 （ 2）频率调制型开关电源 （ 3）混合型开关
21、电源 2.3按功率开关 的类型划分 （ 1）晶体管型开关电源。优点是功率开关饱和导通后，管子开关损耗较小。缺点是驱动功率与输出功率成反比，不宜用在大功率场合。示意图如 2.3。 图 2.3 晶体管型开关电源 （ 2）可控硅型开关电源。优点是可直接输入工频电网电压，成本低；缺点：电磁辐射污染较大。 （ 3） MOSFET 型开关电源。该电路用 MOSFET 作为功率开关，其特点是驱动功率小，可以输出大功率和超大功率。示意图如 2.4。 R1 R2 R3 整流 滤 波 电 路 PWM 控制与驱动电路 输出滤波 取样反馈 控制电路 220V/50Hz 5 图 2.4 MOSFET 型开关电源 2.4按功率开关的连接方式划分 （ 1）单端正激式开关电源。示意图如 2.5。 图 2.5 单端正激式开关电源 （ 2）单端反激式开关电源。示意图如 2.6。 图 2.6 单端反激式开关电源 （ 3）推挽式开关电源。示意图如 2.7。 R1 R2 R3 整流 滤 波 电 路 PWM 控制与驱动电路 输出滤波 取样反馈 控制电路 220V/50Hz
