1、 本 科 毕 业 设 计基于 Multisim10.0 的电子电路虚拟仿真手机充电器设计仿真所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘 要本文是通过电子电路虚拟仿真软件 Multisim10.0 对手机充电器的的设计与研究。了解现有手机充电器的现状和市场需求，熟悉 Multisim10.0 的电子电路虚拟仿真在电子系统的电路设计方法，对市场上常见手机充电器的电路组成有一个总体的认识，分析了其实现核心功能的原理。不仅给电路设计带来基本的电路框架，这同时也为制作与完善一个手机充电器提供了实际有效的设计方法。课题中的手机充电器设计用 Multisi
2、m10.0 的电子电路虚拟仿真软件作为手段，其中含有常见元件库和万用表等常见的仪器仪表元件库，同时使用 LM324 芯片构成集成运算放大器电路，实现设计电路的信号输出，明确的显示了充电器充电的进程。本次设计的手机充电器具有镍镉、镍氢、锂离子电池充电转换开关，可以实现放电、过充、过流保护功能，带有充电和充电完成的指示灯。目前，这是市场上最实用的手机充电器设备。采用一块集成运算芯片构成性能良好的运算放大电路，给充电系统电路提供精确的运行环境，确保被充电电池可以达到最大充饱和与充分放电机制的状态。根据已有的充电器电路组成图，现在通过软件虚拟仿真进行实验测量和改进。这样只要一个装有 Multisim1
3、0.0 软件的电脑，同时要学会使用软件，就可以进行电路设计和仿真。关键词：Multisim10.0；滤波电路；虚拟仿真；手机充电器IIIAbstractThe paper is through the electronic circuit virtual simulation software for mobile phone chargers Multisim10.0 of the design and research. Understand the present situation of the existing mobile phone chargers and the market
4、 demand, Multisim10.0 familiar with the electronic circuit simulation in the electronic system of virtual circuit design method, the market of mobile phone chargers common circuit make up a whole knowledge, analyzes the implementation of the principle of the core functions. Not only to bring the bas
5、ic circuit design framework, it also for production and perfect a cell phone charger provides practical and effective design method.Topics by Multisim10.0 mobile phone chargers in the design of electronic circuit virtual simulation software as the method, which contains common element database and m
6、ulti-meters common instruments element database used at the same time, LM324 chip integrated operational amplifier circuit, a realization circuit design signal output, clear shows the charging process. The charger The design of mobile phone chargers with nickel cadmium, nickel metal hydride recharge
7、able lithium ion batteries, converted, can achieve discharge, overcharge, over-current protection function, with charging and charging completed indicator. Now, this is the most practical market cell phone chargers equipment.Using a piece of integrated operational chip constitute the good performanc
8、e of operational amplifier circuit, charging system to provide accurate operation circuit environment, ensure rechargeable batteries can achieve maximum filling with full discharge mechanism of the saturated state. On the basis of the existing charger circuit diagram, now through the software of the
9、 virtual simulation experiment measuring and improve. So as long as a Multisim10.0 software with the computer, and at the same time must learn how to use the software, can undertake circuit design and simulation.Keywords: Multisim10.0;filter circuit;Virtual Simulation;mobile phone charger IV目 录第 1 章
10、 绪论 .11.1 国内手机充电器市场情况 .11.2 市场上手机电池的现状 .11.3 目前不同类别电池对手机充电方式的要求 .21.4 手机充电器的软件仿真 .3第 2 章 Multisim10.0 软件的电子电路虚拟仿真 .42.1 软件的简介 .42.2 软件常用仪器仪表 .42.3 软件仿真实例 .72.4 软件仿真常遇到的问题及解决办法 .11第 3 章 手机充电器的常用元件 .123.1 LM324 芯片 .123.2 基本元件 .12第 4 章 手机充电器的设计 .164.1 手机充电器的设计要求 .164.2 手机充电器工作流程 .164.3 电路设计思路及流程 .174.4
11、 变压整流稳压电路和振荡电路 .174.5 充电器充电电路 .194.6 过充过流保护电路 .194.7 集成运算放大电路 .204.8 手机充电器的仿真结果以及电路检查 .20结论 .22致谢 .23参考文献 .24附录 手机充电器的软件仿真图 .251第 1 章 绪论1.1 国内手机充电器市场情况市场上，目前手机充电器种类众多，其中有很多质量不合格的产品。国家在前几年产品质量检查中，充电器不合格的生产厂家占到 40%左右。在电源端子骚扰电压、与交流电网电源的连接、辐射骚扰场强和充电电压不稳定等几个主要方面，问题出现严重。同时，一些产品的质量问题存在于低温性能、额定容量、放电性能、安全保护性
12、能等方面。以上问题会涉及到手机的正常使用功能，还会缩短手机的使用寿命，严重时还可能伤害消费者的身体或是财产安全 1。现在市场上存在一些假冒伪劣手机电池便携式充电器。由于其价格非常低，携带方便，有许多手机用户更愿意使用这种手机充电器。实际上，劣质充电器就是一个缺乏安全保证的变压器，由于内部缺少安全保护子电路，所以其重量较原装充电器轻很多。现代市场上，手机电池多采用锂离子电池或镍氢电池作电芯，对充电器的电压、电流特性及安全保护 2有很高的要求。然而这些假冒伪劣充电器由于成本低廉，采用材料劣质，设计简单，加工手段粗糙，充电时对手机电池的性能和寿命损害很大。没有保护电路，充电时电流不稳定，所以可能会烧
13、坏电池甚至引起爆炸。随着市场上不同种类手机的增多，相应充电器随不同机型纷至沓来，电源端口的大小也不相同，从而使手机和手机充电器一一对应，外出时要经常携带充电器，给消费者带来了不便。标准型充电器，是指统一端口下能够适用于所有新标准手机底端插孔的充电器。同时，生产的手机的电源电池将统一为适用于标准充电器的规格。由此可见，充电器在从坐式开始向便携式、标准化、通用化的等方向迅速发展。现在市场上的大部分充电器，是针对锂电池或镍氢电池其中一种电池充电的，但是随着市场的发展，能够自动识别两种电池的充电器正在逐步占据市场，由于其能够进行相应的充电操作的转换。这种充电器不仅可以自动分辨锂电池或镍氢电池，能够“防
14、止将锂电池放电的错误动作” 。座充大多采用快速充电，一般在 34 个小时即已充满。当座充显示充电完毕时，即使不将电池从座充取下，也只剩下极微弱的电量进入电池。市面上有些座充偷工减料，把手机电池一律识别成镍氢电池，而以“定电流”方式充电，往往容易导致锂电池过度充电。品质佳的保护电路板此时会将锂电池保护，以防止充电器继续充电。若遇到设计不良的电路板，不仅无法保护电池，造成电池过度充电，还可能因过度充电导致电池芯变形、漏液、爆炸等等。与以前的充电器相比，充电器产品生产将会在多种新功能完善，并且最大限度地降低本身的待机耗电量。手机充电器的待机耗电量的降低逐步成为充电器的设计过程中的一个重要环节。为了达
15、到这一消费需求，设计一个判断 AC 适配器是否连接负荷(手机)的 IC，当未连接负荷时，将 AC 适配器的 2 级电路 (直流输出端)切换到高阻抗电路上。采取此措施以后，可以大幅减少待机时 2 级电路的消耗电流(可以达到数十微安)。另外，还可以在 1级电路 (输入交流 10OV 端口)中设置切换电路。在未连接负荷时，用开关切换电路来减少供应给 2 级电路(直流输出方)的功率，从而减少耗电量。21.2 市场上手机电池的现状在现今手机电池市场上，主流手机电池有镍镉、镍氢、锂离子电池。镍氢电池是二十世纪九十年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，因而成为世界各国竞相发展的高
16、科技产品之一。镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每个月30%或更多。这要比镍镉电池每月 20%的自放电速率高。电池充得越满，自放电速率就越高；当电量下降到一定程度时，自放电速率又会稍微下降。电池存放处的温度对自放电速率有十分大的影响。正因如此，长时间不用的镍氢电池最好是充到 40%的“半满”状态。镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属氢化物 6。电池充电时，氢 氧 化 钾 （KOH）电解液中的氢离子（H+）会被释放出来，由化合物将它吸收，避免形成氢气（H2） ，以保持电池内部的压力和体 积 。当电池放电时，这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。 对于镍氢电池的长期保养来说，使用低频脉冲.
17、大电流的的充电方式要比使用涓流充电方式更能保持好电池状态。当快速充电时，可以透过充电器内的微电脑去避免电池过充的情况产生。现今的镍氢电池含有一种催 化 剂 ，可以及时的解除因为过充所造成的危险。 2H2 + O2 .催化剂. 2H2O （1-1）但是这个反应只有从过充开始的时间算起的 C 10 小时内有效（C = 电池标示的容量） 。当充电程序开始后，电池的温度会上升的很明显，有些急速充 电 器 （低于 1 小时）内含风扇来避免电池过热。 锂电池是指以金属锂作为负极的电池体系，金属锂的比容量在现有的负极材料中最高，可达 3861mAhg.1。与其他的电池体系相比，锂离子电池具有较高的能量重量比
18、和能量体积比，无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿命较长等优点，价格也越来越低。它的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂离子电池供电的产品也越来越多。锂离子电池的不足之处在于对充电器的要求比较苛刻，对保护电路的要求较高。其要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度(精度高于 1%)7。锂电池充电器的基本要求是特定的充电电流和充电电压，从而保证电池安全充电。锂离子电池在充放电使用中注意保护。用一个形象的肥皂泡沫做比喻，锂离子电池如同一堆肥皂泡沫，泡内存储的就是电能。充电时，气泡会随着充
19、电时间的加长而不断增大，当超过其极限时气泡就会破裂，此时即损坏了锂电晶型，造成永久性损坏；若过度放电在，则会造成气泡消失，这样下去充电时汽泡也充不起来，导致锂电池失效。增加其它充电辅助功能是为了简化充电器的操作，改善电池寿命，充电辅助功能主要包括给电池电压检测、过放电的电池使用涓流充电、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。1.3 目前不同类别电池对手机充电方式的要求随着手机种类的日益增多，各种充电器因机型不同，电源端口的大小也不相同，从而不能互换使用，给消费者带来了不便。因为如果所有手机都使用相同标准的充电器，那么用户在更换手机后，就无需再购买新的充电器，从而节省
20、了一笔开支，并且有利于环保。欧洲有关采用通用充电器标准的努力始于2009年，其目的不仅是让消费者生活变得更加轻松，同时也是为了减少浪费。继 2009年6月全球14家主要的手机生产商同意使用这种通用3充电器后，欧洲委员会已向各个充电器生产商发去了详细的新的连接标准。去年1月份，我国就已正式颁布“手机充电器通用标准” 。该“标准”将手机与充电器的连接变成三段式结构。所谓“三段式结构”就是在手机侧规定了圆柱型、MiniUSB 和MicroUSB 三种接口，实现了同一充电器可对不同品牌型号的手机进行充电。现在市场上的大部分充电器，只是针对锂电池或镍氢电池充电的，但是随着市场的发展，自动识别两种电池而进
21、行相应的充电进程的充电器正在逐步占据主流。可以自动分辨锂电池或镍氢电池的座充能“防止将锂电放电的错误动作” ，如果在充锂电池时不小心按到了座充上的“放电钮” ，好的座充可以辨识出来是锂电池，因此不会做放电动作；差的座充则不管三七二十一地进行放电，这就会造成锂电池寿命的折损。质量好的手机充电器能够识别锂电池与镍氢电池，进而决定充电模式。锂电池的保护电路板上有一块集成电路储存着锂电池的特性资料，它一方面让座充能够识别锂电池，以决定“定电流”及“定电压”充电模式；另一方面也让手机能识别锂电池，以决定放电方式。镍氢电池的充电方式采用“定电流” 。镍氢电池本身不怕过充电，当镍氢电池过充时会有反向反应，以
22、防止电压过度上升，此反应会使电池微微发热。此外，镍氢电池通常都加有一个热敏电阻，以防止电池过度充电。目前，大部分手机的工作电压是 3.6V 左右，故需三节镍氢电池芯。而一般镍氢电池芯过充至约 1.41.5V 左右即停止，三节电池最高电压为4.4V 左右。 由于锂电池过充会发生危险，故对充放电的设定条件比镍镉电池和镍氢电池都要苛刻。锂电池内部通常附加一块控制电路板以防止过充电。根据锂电池的特性设计，第一段充电是以“定电流”方式充电，等到快充饱时再以“定电压”(约 4.14.2V 之间)充电的方式使电池达到最佳状态。 镍氢电池的记忆效应并不大，不需常常放电，锂电池则基本不需放电。市面上销售的充电器
23、，其所附的放电装置质量不一。质量差的会有过放电的现象，易造成电池内部负极板的腐蚀(镍氢电池内部的电解质是氢氧化钾碱性溶液)，进而减少电池的寿命及平时可使用的容量。在这种情况下，每次都先放电再充电的话，电池会坏得更快。正常情况下，只要把一节电池的电用到自动关机后再去充电，就是对电池最好的放电处理方法。1.4 手机充电器的软件仿真对于生产充电器的厂家来说，功能完善、安全实用的充电器能在市场中占据主要地位，同时满足他们的经济目标。在当今通讯电子电路的设计领域，手机充电器电路的设计和仿真是一个十分重要的设计试验探索环节。在手机充电器电路设计和仿真软件中，Multisim10.0以其强大的仿真设计应用功
24、能，在各高校电信类专业电子电路的仿真和设计中得到了较广泛的应用。Multisim10.0 及其相关库包的应用对提高学生的仿真设计能力，更新设计理念有较大的好处。目前的情况而言，电子设计技术的核心就是 EDA 技术，EDA 是以计算机为工作平台，融合电子技术、计算机技术等方面最新成果而研制成的通用软件。它主要能辅助集成电路设计和电子电路设计。EDA 软件的种类多种多样，Multisim10.0 3 4 5是 EDA 软件其中之一，Multisim10.0 的前身 EWB 是加拿大 Interactive Image Technology 公司推出的用于电子电路仿真的虚拟电子工作平台软件。与 ED
25、A 相比较，Multisim10.0 的功能更加强大。Multisim10.0 最突出的特点是用户界面友好，各类器件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚4拟仪表是 Multisim10.0 的一大特色。Multisim10.0 包括的虚拟仪表有：函数发生器，逻辑分析仪，示波器，频谱分析仪，波特图图示仪，网络分析仪，失真度分析仪，万用表等。通常电子电路设计实验室是需要大量人力物力材料的，而仿真设计可以节省大量成本，同时也省去了多数仪表调试环节，为试验节约很多时间成本，这些优势是试验设备无法比较的。本次毕业设计主要是应用软件 Multisim10.0 来仿真和设计手机充电器电路。5第 2 章 Mult
26、isim10.0 软件的电子电路虚拟仿真2.1 软件的简介计算机和信息技术的发展以及人们对电子系统设计的新需求，推动了电子线路设计方法和手段的不断进步。传统的设计手段已逐渐被 EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）所取代，它代表着现代电子系统设计的潮流。EDA 技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术，掌握 EDA 技术是广大电子类高校学生就业的一个基本条件，也是工程技术人员的有力助手。EWB 系列软件是 IIT 公司开发的一款优秀的 EDA 软件，许多院校把当做电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。世纪初，IIT 公司推出了 EWB6.0 版本，并
27、取名为 Multisim，也就是 Multisim2001 版本。2005 年以后，加拿大 IIT 公司已经隶属于美国国家仪器公司 3。在当今的信息化社会里，电子产品 11不但在性能上不断增强，而且更新换代的频率也越来越快，造成这种现象的主要因素是生产制造技术和电子设计技术的发展。就目前的情况而言，电子设计技术的核心就是 EDA 技术，EDA 是以计算机为工作平台，融合电子技术、计算机技术等方面最新成果而研制成的通用软件。它主要能辅助集成电路设计和电子电路设计。Multisim10.0 软件 4是一个优秀的电子技术训练工具，是能够替代电子实验室中多种传统仪器的虚拟电子实验室，具有灵活、成本低、
28、高效率的特点。Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具 5，适用于板级的模拟/数字电路板的电子电路设计。既包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，涵盖多种分析仪表和仪器，又具有丰富的仿真分析能力。Multisim 吸收了SPICE 仿真的优秀特性内容，这样我们不需懂得深入的 SPICE 技术就能够很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，由于这个优点，使其更适合电子学教育。通过 Multisim 虚拟仪器仿真技术，设计工程师和电子学教育工作者方便完成从理论和原理图捕获与仿真再到实物设计和测试这样一个完整的综合设计流程，这样可以有效的简化
29、工作量，同时节约成本。在电子设计领域，EDA（Electronic Design Automation）已经得到广泛应用。目前，许多发达国家已经基本上不存在电子产品的手工设计。举例说明：一台电子产品的设计，从概念的确立，到包括电路原理、PCB 版图、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到 PCB 钻孔图、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA 技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA 已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。学员可以很方便地把学到
30、的理论知识用计算机仿真真实再现理论，也是一种具有很大空间的实验工具。仿真实验极大地调动了学员的学习热情和积极性。还有计算机仿真与虚拟仪器如此方便快捷，对教员的教学也是一个很好的教辅工具。它主要使用在理论教学过程中，通过计算机仿真解决许多实际的实验环节。2.2 软件常用仪器仪表1. 数字万用表 13 14 15数字万用表是电路测量中常用的仪表，可以用于测量电压、电流和两个节点间的电阻值。在使用过程中，可以自动调节量程。单击仪器仪表工具栏的数字万用表图标，移动光标到电路设计区，单击鼠标左键，在电6路中放置数字万用表。数字万用表的符号和操作面板如图 2.1 示。图 2.1 数字万用表的符号和操作面板单击数字万用表操作面板的 set 按钮，弹出multimeter Setting对话框，如图 2.2 示。可以修改数字万用表的电气参数和显示参数。图 2.2 multimeter Setting 对话框2. 函数发生器在实验电路中，函数发生器作为一种信号源被广泛使用。Multisim 的数字信号发生器可以提供正弦波、三角波、方波信号，并且信号参数都可以调整。函数发生器的符号和操作面板如图 2.3 示。图 2.3 函数发生器的符号和操作面板
