充电器基础知识
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充电器基础知识 2004.06. 充电的两种模式. 空载电压为 4.2V 的充电器:充电器直接给电池充电,手机只是提供了一个转接的作用。(或者有的手机还有一个过流保护的 fuse ) 空载电压是 4.2V 以上的充电器:充电过程中的主体多了一个充电管理芯片(一般被集成在手机的电源管理芯片里). +. +. 手机. +. 电源适配器. 电池. GND. GND. +. +. 手机(其中的 充电管理). 电池. 电源适配器. GND. GND. battery safety circuit protection. Cell A

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充电器基础知识 2004.06

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2004 06

充电器基础知识

2004.06


2004 06

充电的两种模式

  • 空载电压为4.2V的充电器:充电器直接给电池充电,手机只是提供了一个转接的作用。(或者有的手机还有一个过流保护的fuse)

  • 空载电压是4.2V以上的充电器:充电过程中的主体多了一个充电管理芯片(一般被集成在手机的电源管理芯片里)

+

+

手机

+

电源适配器

电池

GND

GND

+

+

手机(其中的

充电管理)

电池

电源适配器

GND

GND


2004 06

battery safety

circuit protection

Cell A

problematic

overcharge

2.8

2.4

charger operating

window

2.0

1.6

Current (amperes)

1.2

Power Supply (CLA) Output

0.8

0.4

0.0

4.0

4.2

4.4

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

6.6

Voltage

电池的安全设计---方式1

  • 即使电池充电管理芯片和电池保护板同时坏了,也不会有过充安全问题发生


2004 06

battery safety

circuit protection

2.8

Cell B

problematic on

overcharge

2.4

charger operating

window

2.0

1.6

Current (A)

1.2

Power Supply (CLA) Output

0.8

0.4

0.0

4.0

4.2

4.4

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

6.6

Voltage

电池的安全设计---方式2

  • 如果电池充电管理芯片和电池保护板同时坏了,就有可能会有电池安全问题:

  • 我司用的是第二种方式较多。大部分公司也都是这么做


2004 06

旅行充电器的分类

  • 旅行充电器按其电路方式的不同分为两大类:开关电源与线性电源。

  • 开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。

  • 现在我们的开关电源如果输出性能做到与线性一样,成本只贵四元钱左右

  • 线性电源:

  • 所谓线性稳压电源,就是其调整管工作在线性放大区。它的稳压部分是一个线性反馈系统,误差放大器和调整管都工作于线性放大状态。

  • 线性稳压电源的优点:反应较快,电压稳定度和负载稳定度高,输出纹波电压小。另外,这种电源对调整管的频率特性要求较低,设计调试都比较容易。

  • 线性稳压电源的缺点:比较笨重,变换效率低,一般只有35%-60%。这是由于工频变压器的存在和调整管功耗大造成的。


2004 06

线性充电器的基本原理

  • 电路图(S1800充电器)

  • 内部结构如右图所示,熔断FUSE

    包在初级线圈里


2004 06

线性充电器的基本原理

  • 输出特性曲线如右图

  • 特点:空载电压较高

  • (我们平时直接用万用表测输出端两端的电压就是空载电压,

  • 此时充电器不接手机)

  • 电压调整率较差,187V比242V低很多。

  • Sagem目前常用的TCX4540型充电器的空载电压比较高,其规格书里达到16V,而由于充电时的特殊性,在拔插瞬间,这个电压可能会达到16V以上,这对手机模块是不利的,长期以往会缩短手机的使用寿命

V

242V

187V

A


2004 06

线性充电器各部分

  • 硅钢片用于低频变压器,其种类很多,按其制作工艺不同可分为A:锻烧(黑片)、N:无锻烧(白片)两种.(黑片价格高,质量好,铁损少。温变压器工作时温升可以低10度左右 )

  • Fuse:要经过相关认证,加工时要注意加工温度控制,否则在实际使用中会出现误动作情况

  • 整流管:用1N4001~1N4007


2004 06

空载电流的测定的意义。

  • 变压器的空载电流是指初级接额定电压,次级完全空载测得的初级电流。这个电流与进线电压的乘积则为空载损耗,也就是指变压器的铁芯损耗。它是铁芯在交流磁场中涡流损耗和磁滞损耗之和。因而,变压器的空载电流越小,表明铁芯的质量越好,且安培匝数设计非常合理。这种情况下,一般认为空载电流相似于铁损耗,空载电流的大小,也就反映铁损的大小。小于10W的变压器空载电流约7~15mA;100W的变压器,空载电流约30~60mA之间,都认为正常。铁损较大的变压器,发热量必然大,如果是因安培匝数设计不合理,其空载电流大增,结果造成温升增大,其寿命也不会长。一般环形变压器的空载电流应低于普通插片式变压器的空载电流。

  • 测空载电流与温升可以来判断变压器的好坏。(温升太高会影响充电器的使用寿命)


2004 06

开关电源

  • 所谓开关稳压电源,就是其调整管工作在开关状态。它原理上是利用晶体管作为电子开关,控制直流电源的通断(把直流变换成交流),再经过高频变压器得到相应的交流电压,然后滤波得到直流电压。

  • 开关稳压电源的主要优点是:变换效率高,可高达70%-95% 。

  • 1,功耗小由于开关管功率损耗小,因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低,周围元件也不会因为长期在高温环境下而损坏,这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。

  • 2,稳定范围宽当开关稳压输入的交流电压在较宽范围内变化时,都能达到很好的稳压效果,输出电压的变化范围在2%以下。而且在输入电压发生变化时,始终能保持稳压电路的高效率,因此,开关电源能适用于电网电压波动比较大的地区。

  • 3,体积小,重量轻开关稳压电源可将电网输入的交流电压直接整流,再通过高频变压器获得各种不同交流电压,这样可以免去笨重的工频变压器,从而节省了大量的漆包线和硅钢片,使电源体积缩小,重量减轻。


2004 06

  • 开关电源的缺点是:电路比较复杂,输出的纹波电压较高(每一个开关周期有一个纹波),瞬态响应较差,存在高频干扰等。因此,开关稳压电源的应用受到一定的限制。

某一开关电源的输出波形


2004 06

开关电源的基本原理

  • 采用开关电源的旅行充电器,在电路上可分为高压部分与低压输出部分两大块。

  • 高压部分主要是为整机提供电源,

  • 低压部分则是根据具体的输出特性要求进行相关的特性调整,并将这种状态反馈给高压部分,使旅行充电器的输出达到使用要求。


2004 06

开关电源基本原理------分立元件组成的开关电源

  • RCC电路控制电源

  • RCC变换器的电路结构:

  • RCC变换器是Ring Choke Converter的简称,

  • 广泛应用50W以下的开关电源中,它不需要

  • 自励式振荡电路,结构简单,由输入电压

  • 和输出电流改变频率。

  • RCC的基本电路如右图所示在VT1导通ton

  • 期间变压器T1从输入侧蓄积能量,在下一

  • 次截止期间toff变压器T1蓄积的能量释放供

  • 给输出负载。Toff结束时,变压器电压Vt1

  • 波形自由振荡返回到0V。这电压通过基极

  • 绕组加到开关管Vt1的基极,因此,晶体管

  • VT1触发导通,Vt1一导通就进入下一个工

  • 作周期。输入电压V1是输入交流电压经整

  • 流后的直流电压。


2004 06

实际应用电路:

通过光耦,Cf,V1产生反馈控制信号,

Czcd起加速反馈,提高频率的作用


2004 06

开关电源基本原理------PWM芯片控制的开关电源

PWM控制芯片:利用反馈信号控制占空比Dr

基本隔离单端反激变换器

其变压器T1起隔离和传递储存能量的作用,即在开关管Q开通时Np储存能量,开关管Q关断时Np向Ns释放能量。在输出端要加由电感器Lo和两个Co电容组成一个低通滤波器,变压器初级需有Cr、Rr和Dr组成的RCD漏感尖峰吸收电路。输出回路需要有一个整流二极管D1。


2004 06

重载(输入电压低,输出电流大)时的PWM控制器输出波形

轻载(输入电压高,输出电流小)时的PWM控制器输出波形

通过这样的调节,使该变换器有很宽的工作范围,有很好的电压调整率和较好的负载调整率。


2004 06

电源如何实现先恒流后恒压的控制—线性


2004 06

电源如何实现先恒流后恒压的控制—开关


2004 06

旅行充电器待机功耗要求

  • 1、电子产品的待机功耗在美国和加拿大要达到能源之星(energy star)要求。

  • 2、在欧洲要达到绿色天使(green angel)的要求。

  • 3、象电源适配器这样的小功率产品,待机功耗要小于0.3W,


2004 06

旅行充电器和3C认证

  • 旅行充电器作为一个与手机配套的部件,需要符合信息设备的一些特殊要求。从2003年8月1日起,我国全面推行CCC认证(CCC是China Compulsory Certification的缩写),即“中国国家强制性产品认证”,确保公共财产安全和人体健康。

  • 3C认证主要分为电磁兼容形式实验、安全形式实验两部分。


2004 06

电源的EMC问题

  • (1)    EMC介绍EMC(ELECTRO-MAGNETIC COMPATIBILITY)即电磁兼容性,乃指产品在优良的设计下不干扰别的产品,也能忍受外界电磁干扰的能力,EMC包括EMI(ELECTRO-MAGNETIC INTERFERENCE)和EMC(ELECTRO-MAGNETIC SUSCEPTIBILITY).EMI即电磁干扰,指含有电子电机零件的仪器,装置整组设备或整套系统因动作而产生的一种电磁波噪声,或装置本身不需要的信号,经由辐射或传导路径影响其它装置,造成其它装置不正常或失真.EMS即电磁耐受性,也就是仪器,装置整组或整套系统本身具有抗拒外面噪声, 免除被外界噪声干扰的能力.


2004 06

EMI主要项目有:

  • 1、电源端子传导骚扰电压

  • 2、辐射骚扰场强

  • 3、骚扰功率

  • 4、喀呖声干扰

  • 5、谐波电流

  • 6、电压闪烁等等


2004 06

  •   EMI/EMC管制:目前,世界上很多国家或地区对于电子信息产品的EMI/EMS均有严格的管制措施,如美国FCC,欧盟的CE,日本的VCCI及电气用品取缔法,澳洲的SMA,加拿大,韩国等国家或地区均有专司EMI/EMS管制法规条文,对于销往这些国家或地区的产品都须先经过测试合格,方可合法的运送及销售.(见下页)其中:  增益(dB)=10log10输出功率/输入功率=20log10输出电压/输入电压或损失(dB)=10log10输入功率/输出功率=20log10输入电压/输出电压电压(dBμV)=20log10  该点以μV计之电压/标准强度(1μV)此电压是在50Ω阻抗上测得: 以跨在50Ω阻抗上之负载,1μV均方根电压所产生功率为参考标准.或dBμV=20log10(50Ω阻抗上电压,单位为μV)    dBμV表示高出1μV多少个dB,也就是以dB表示高出1μV/50Ω标准强度有多少.


2004 06

电源辐射干扰


2004 06

电源传导干扰


2004 06

电源的安规

  • 安规方面,我们手机充电器适用的标准是GB4943,(其对应的国际标准是IEC60950,UL60950)

  • 为什么要制定安规?


2004 06

电源的安规要求---安全距离及其相关安全要求

  • 安全距离包括电气间隙(空间距离),爬电距离(沿面距离)和绝缘穿透距离

  • 1、电气间隙:两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿空气测量的最短距离。

  • 2、爬电距离:两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿绝绝缘表面测量的最短距离。


2004 06

电源的安规要求---安全距离及其相关安全要求

  • 电气间隙 :根据测量的工作电压及绝缘等级,即可决定距离

    通常: 一次侧交流部分:保险丝前L—N≥2.5mm,L.N --PE(大地)≥2.5mm,保险丝装置之后可不做要求,但尽可能保持一定距离以避免发生短路损坏电源。

  • 一次侧交流对直流部分≥2.0mm

  • 一次侧直流地对大地≥2.5mm (一次侧浮接地对大地)

  • 一次侧部分对二次侧部分≥4.0mm,跨接于一二次侧之间之元器件

  • 二次侧部分之电隙间隙≥0.5mm即可

  • 二次侧地对大地≥1.0mm即可

  • 附注:决定是否符合要求前,内部零件应先施于10N力,外壳施以30N力,以减少其距离,使确认为最糟情况下,空间距离仍符合规定。


2004 06

电源的安规要求

  • 爬电距离通常:(1)、一次侧交流部分:保险丝前L—N≥2.5mm,L.N 大地≥2.5mm,保险丝之后可不做要求,但尽量保持一定距离以避免短路损坏电源。

  • (2)、一次侧交流对直流部分≥2.0mm

  • (3)、一次侧直流地对地≥4.0mm如一次侧地对大地

  • (4)、一次侧对二次侧≥6.4mm,如光耦、Y电容等元器零件脚间距≤6.4mm要开槽。

  • (5)、二次侧部分之间≥0.5mm即可

  • (6)、二次侧地对大地≥2.0mm以上

  • (7)、变压器两级间≥8.0mm以上


2004 06

充电器性能失效主要原因

  • 1、线性充电器的fuse失效

    可能原因:1、绕组温升过高(当地用户电压过高,或使用温度较高)

    2、变压器加工时,没有很好地控制fuse的加工温度

  • 2、乾坤RCC充电器的三极管失效:

    开关三极管有动作延迟时间,开关损耗过大。

    结温过高而损坏。

电压

电流

关断

导通


2004 06

  • 3、线性4230充电器的三极管失效

    三极管结温过高而损坏

    D882

此类热失效以后应该能过高温老化实验能做出来


2004 06

  • 其它开关电源芯片坏

  • 主要是芯片中的MOS管被烧坏:

  • 原因1、尖峰电压的问题:主变压器的漏感的作用就像是与功率晶体管D极串联的一个小电感。当晶体管中电流被关断时,这个漏感使得D极电压波形的正跳边沿上产生一个突增的脉冲。这个尖峰电压上升幅度可能超过两倍以上的尖峰电压值,这个尖峰电压如果不受限制,则漏感中的储能每半周中在晶体管上的损耗会使管子损坏。

    改善方法:提高MOS耐压,把吸收回路做好一些

  • 原因2、电网中的浪涌电压等干扰,静电干扰等。

    改善方法:增强电磁抗干扰能力。


2004 06

充电器的可靠性检验----温度分布

  • 目的:确保待测物之可靠度;确认各组件均在温度规格范围内使用及有无组件异常温度上升。

  • 适用:所有机种适用。

  • 测试条件:

  • a.输入电压:规格范围之最小、最大值。(AC 115V/230V→AC 90V/265V)

  • b.负载:100% (最小0%、最大,100%)。

  • c.输出电压:额定。

  • d.周围温度:规格书中使用范围之最高温度。

  • 测试方法:

  • a.输入电压加入后,稳定状况下,测组件表面及焊接点之温度分布。

  • b.量测之温度与温度Derating率比较,确认有无异常发热组件,参考「温度Derating 率」。


2004 06

充电器的可靠性检验--元件降额使用

  • 目的:确保待测物之可靠度,确认组件实际使用时能在绝对最大额定下之Derating 率范围内。

  • 适用:所有机种适用。

  • 测试条件:

  • a.测试待测物在下列条件下一次测和二次测主回路波形(电流波形和电压波形)

  • 1.定额输入和输出

  • 2.低压起动

  • 3.短路开机

  • 4.开机后短路

  • 5.满载关机(不做记录)

  • b.各回路波形和组件耐压请参考「元件Derating」


2004 06

充电器的可靠性检验—提高电磁抗干扰能力

EMS主要项目有:

  • 1、静电放电抗扰度

  • 2、射频电磁场辐射抗拢度

  • 3、电快速瞬变脉冲抗扰度

  • 4、浪涌(冲击)抗扰度

  • 5、射频电磁场传导骚扰抗扰度

  • 6、工频磁场抗扰度

  • 7、电压暂降

  • 8、短时中断和电压变化等

  • ---------这些在CCC认证中不是必测项目


2004 06

旅行充电器的外壳

  • 常用旅行充电哭的外壳材料有ABS塑料,PC塑料等

    ABS塑料的全名为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,是在对聚苯乙烯改性的基础上发展起来的三元共聚物,ABS塑料的热变形温度从60度到124度不等,不易燃烧,缺点是因为有双键,耐侯性较差。

  • PC:聚碳酸酯,是分子链中含有(-O-R-O-CO-)链节的热塑性树脂。

  • 在安规中:要求插头组件能耐125℃的球压实验,

    ABS材料达不到这个要求。


Sagem

Sagem平台充电器所测项目

  • 目前,sagem平台还没有专门的测试充电器的仪器设备(比如电子负载),大部分工作还是实验室在进行,我能做的试验只是用万用表测试电流的大小,以及电流调整率,充电器安全方面的问题,充电器工艺结构方面的问题。

  • 对于sagem平台来说,最重要的是根据手机模块里对充电器的要求,来判断一个充电器到底能不能被我们所用


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