中心議題：
- RCC型開(kāi)關(guān)電源與PWM型開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別
- 開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器開(kāi)關(guān)電源電路
- 開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器充電控制電路分析
- 鋰離子電池所用的材料
- 鋰離子電池的工作機(jī)理及充電原理
本文詳細(xì)介紹了一種開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器的工作原理，對(duì)初學(xué)者了解具體的開(kāi)關(guān)電源電路及充電控制電路很有意義。該充電器具有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，并具有放電功能。在150~250V、40 mA的交流市電輸入時(shí)，可輸出300±50 mA的直流電流。根據(jù)實(shí)物繪出了工作原理圖，供讀者參考。
RCC型開(kāi)關(guān)電源與PWM型開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別
該充電器采用了RCC型開(kāi)關(guān)電源，即振蕩抑制型變換器，它與PWM型開(kāi)關(guān)電源有一定的區(qū)別。
PWM型開(kāi)關(guān)電源由獨(dú)立的取樣誤差放大器和直流放大器組成脈寬調(diào)制系統(tǒng)；而RCC型開(kāi)關(guān)電源只是由穩(wěn)壓器組成電平開(kāi)關(guān)，控制過(guò)程為振蕩狀態(tài)和抑制狀態(tài)。
由于PWM型開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管總是周期性的通斷，系統(tǒng)控制只是改變每個(gè)周期的脈沖寬度，而RCC型開(kāi)關(guān)電源的控制過(guò)程并非線(xiàn)性連續(xù)變化，它只有兩個(gè)狀態(tài)：當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓超過(guò)額定值時(shí)，脈沖控制器輸出低電平，開(kāi)關(guān)管截止；當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓低于額定值時(shí)，脈沖控制器輸出高電平，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，濾波電容放電時(shí)間延長(zhǎng)，輸出電壓不會(huì)很快降低，開(kāi)關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)，直到輸出電壓降低到額定值以下，開(kāi)關(guān)管才會(huì)再次導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間取決于負(fù)載電流的大小。開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通/截止由電平開(kāi)關(guān)從輸出電壓取樣進(jìn)行控制。因此這種電源也稱(chēng)非周期性開(kāi)關(guān)電源。
開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器開(kāi)關(guān)電源電路分析
220V市電經(jīng)VD1~VD4橋式整流后在V2的集電極上形成一個(gè)300V左右的直流電壓。由V2和開(kāi)關(guān)變壓器組成間歇振蕩器。開(kāi)機(jī)后，300V直流電壓經(jīng)過(guò)變壓器初級(jí)加到V2的集電極，同時(shí)該電壓還經(jīng)啟動(dòng)電阻R2為V2的基極提供一個(gè)偏置電壓。由于正反饋?zhàn)饔茫琕2 Ic迅速上升而飽和，在V2進(jìn)入截止期間，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使VD7導(dǎo)通，向負(fù)載輸出一個(gè)9V左右的直流電壓。開(kāi)關(guān)變壓器的反饋繞組產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖經(jīng)VD5整流、C1濾波后產(chǎn)生一個(gè)與振蕩脈沖個(gè)數(shù)呈正比的直流電壓。此電壓若超過(guò)穩(wěn)壓管VD17的穩(wěn)壓值，VD17便導(dǎo)通，此負(fù)極性整流電壓便加在V2的基極，使其迅速截止。V2的截止時(shí)間與其輸出電壓呈反比。VD17的導(dǎo)通／截止直接受電網(wǎng)電壓和負(fù)載的影響。電網(wǎng)電壓越低或負(fù)載電流越大，VD17的導(dǎo)通時(shí)間越短，V2的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，反之，電網(wǎng)電壓越高或負(fù)載電流越小，VD5的整流電壓越高，VD17的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，V2的導(dǎo)通時(shí)間越短。V1是過(guò)流保護(hù)管，R5是V2 Ie的取樣電阻。當(dāng)V2 Ie過(guò)大時(shí)，R5上的電壓降使V1導(dǎo)通，V2截止，可有效消除開(kāi)機(jī)瞬間的沖擊電流，同時(shí)對(duì)VD17的控制功能也是一種補(bǔ)償。VD17以電壓取樣來(lái)控制V2的振蕩時(shí)間，而V1是以電流取樣來(lái)控制V2振蕩時(shí)間的。
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開(kāi)關(guān)型手機(jī)充電器充電控制電路分析
如果是為鎳鎘、鎳氫電池充電，由于這類(lèi)電池存在一定的記憶效應(yīng)，需不定時(shí)對(duì)其進(jìn)行放電。SW1是鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。SW1與精密基準(zhǔn)電源SL431為運(yùn)放LM324 ⑨提供兩個(gè)不同的精密基準(zhǔn)源，由SW1切換。在給鎳鎘、鎳氫電池充電時(shí)，LM324 ⑨腳的基準(zhǔn)電壓約0.09V（空載）；在給鋰離子電池充電時(shí)，LM324 ⑨腳的基準(zhǔn)電壓約為0.08V（空載），這種設(shè)計(jì)是由這兩種類(lèi)型電池特有的化學(xué)特性決定的。按下SW2，V5基極瞬間得一低電平而導(dǎo)通，可充電池上的殘余電壓通過(guò)V5的e c極在R17上放電，同時(shí)放電指示燈VD14點(diǎn)亮。在按下SW2后會(huì)隨即釋放，這時(shí)可充電池上的殘余電壓通過(guò)R16、R13分壓，C9濾波后為V4的基極提供一個(gè)高電平，V4導(dǎo)通，這相當(dāng)于短接SW2。隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，可充電池上的殘余電壓也越來(lái)越低，當(dāng)V4基極上的電壓不能維持其繼續(xù)導(dǎo)通時(shí)，V4截止，放電終止，充電器隨即轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)。
由于鋰電不存在記憶效應(yīng)，當(dāng)電池低于3V時(shí)便不能開(kāi)機(jī)，其殘余電壓經(jīng)電阻R40、R41分壓后得到2.53V送入運(yùn)算放大器的同相端③、⑤、⑩腳，由于LM324 ⑨腳電壓在負(fù)載下始終為2.66V，因此⑧腳輸出低電平，V3導(dǎo)通，+9V電壓通過(guò)V3 e c極、VD8向可充電池充電。IC1 d在電容C6的作用下，{14}腳輸出的是脈沖信號(hào)，由于IC1 ⑧腳為低電平，因此VD12處于閃爍狀態(tài)，以指示電池正在充電，對(duì)應(yīng)容量為20％。隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，可充電池上的電壓逐漸上升。當(dāng)R40、R41的分壓值約等于2.58V時(shí)，即IC1 ③腳等于2.58V時(shí)，IC1 ②腳經(jīng)電阻分壓后得2.57V，其①腳輸出高電平（由于在充電時(shí)，IC1 ⑨腳電壓始終是2.66V，V6導(dǎo)通；反之在空載時(shí)，IC1 ⑨腳為0.08V，V6截止），VD10、VD11點(diǎn)亮，對(duì)應(yīng)指示容量為40％、60％。當(dāng)R40、R41的分壓值上升到2.63V時(shí)，即IC1 ⑤腳等于2.63V，其⑥腳經(jīng)電阻分壓后得2.63V，⑦腳輸出高電平，VD9點(diǎn)亮，對(duì)應(yīng)充電容量為80％。只有IC1 ⑩腳電壓≥2.66V時(shí)，⑧腳才輸出高電平，VD13點(diǎn)亮，對(duì)應(yīng)充電容量為100％。即使VD13點(diǎn)亮?xí)r，VD12仍處于閃爍狀態(tài)，這表示電池仍未達(dá)到完全飽和。只有IC1 ⑧腳電壓＞6.5V時(shí)，VD12才逐漸熄滅，表示電池完全充至飽和。
VD16在電路中起過(guò)充、過(guò)流保護(hù)作用，VD8起反向保護(hù)作用，避免充電器斷電后，電池反向放電。
鋰離子電池所用的材料
說(shuō)到這個(gè)鋰離子電池（一般我們所稱(chēng)的鋰電池即鋰離子電池，如果嚴(yán)格意義上來(lái)劃分，鋰電池包括鋰離子電池和鋰聚合物電池）呢，先來(lái)簡(jiǎn)單的介紹一下，所謂鋰離子電池就是使用能夠吸藏•脫離鋰離子的碳材料作為負(fù)極活性物質(zhì)的電池，鋰離子符號(hào)為 Li-ion 。大家知道作為電池一般都是由正極，負(fù)極，隔膜，電解液等基本的元素組成，那么鋰離子電池所用的這些材料一般是以下一些物質(zhì)：
正極：鈷酸鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）錳酸鋰（LiMn2O4）等；
負(fù)極：人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等等；
隔膜：聚乙烯（PE）、聚丙稀（PP）等組成的單層或者多層的微多孔薄膜；
電解液：碳酸丙稀酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、二甲基碳酸酯（DMC）、二乙基碳酸酯（DEC）、甲基乙基碳酸酯（MEC）等組成的一元、二元或者三元的混合物
市場(chǎng)上所售的鋰離子電池大多是以鈷酸鋰為正極，石墨系列為負(fù)極的電池。
鋰離子電池的工作機(jī)理
鋰離子電池的工作機(jī)理是：電池充電時(shí)，正極材料中的鋰形成離子溶出，嵌入到負(fù)極改性石墨層中；電池放電時(shí)，鋰離子從石墨層中脫嵌，穿過(guò)隔離膜回填到正極鈷氧化鋰的層狀結(jié)構(gòu)中。隨充放電的進(jìn)行鋰離子不斷的從正極和負(fù)極中嵌入和脫出，所以也有人稱(chēng)其為“搖椅電池”鋰離子電池單體的額定電壓為 3.6V,充電限制電壓為 4.2V，放電限制電壓為 2.5V 。
鋰離子電池的充電過(guò)程
鋰離子電池的充電過(guò)程分為兩個(gè)步驟：先是恒流充電，其電流恒定，電壓不斷升高，當(dāng)電壓充到 4.2V 的時(shí)候自動(dòng)轉(zhuǎn)換為恒壓充電，在恒壓充電時(shí)電壓恒定，電流是越來(lái)越小的直到充電電流小于預(yù)先設(shè)定值為止，所以有人用直充對(duì)手機(jī)電池進(jìn)行充電的時(shí)候明明電量顯示已經(jīng)滿(mǎn)格了，可是還是顯示正在充電，其實(shí)這個(gè)時(shí)候的電壓已經(jīng)達(dá)到了 4.2V 所以電量顯示為滿(mǎn)格，那時(shí)就是在進(jìn)行恒壓充電過(guò)程，那么有人也許會(huì)問(wèn)，為什么要進(jìn)行恒壓充電呢，直接用恒流充到 4.2V 不就行了嗎，其實(shí)很容易解釋?zhuān)驗(yàn)槊恳粋€(gè)電池都有一定的內(nèi)阻，當(dāng)用恒流進(jìn)行充電到 4.2V 的時(shí)候，這個(gè) 4.2V 其實(shí)并不是電池實(shí)際的電壓，而是電池的電壓加上電池內(nèi)阻上消耗的電壓之和，如果電流很大那么在內(nèi)阻上消耗的電壓也就很大，所以那是實(shí)際電池的電壓可能比 4.2V 小很多，所以要用恒壓充電過(guò)程，把充電的電流慢慢降下來(lái)，這樣電池的實(shí)際電壓就很接近 4.2V 。
