USB手机充电器电路设计优化方案

手机充电器的功能是将220V交流电压转换成5V左右的直流电压来为手机电池充电。早期的手机充电器多采用串联调整型电源电路，这种电源电路有很多的缺点，如采用的电源变压器体积大，成本高，电源利用率低，易发热和输出电流偏小等，故现在手机充电器基本采用体积小、电源利用高和输出电流大的开关电源。

1.电路分析

图10-4是一个典型的手机充电器电路图。

图10-4 一个典型的手机充电器电路图

电路分析如下：

（1）整流滤波过程

220V交流电压经整流二极管VD1、保护电阻R1对电容C1充电，在C1上充得300V左右的直流电压（220V交流电压最高值有311V）。

（2）开关管的启动导通

C1上的+300V直流电压分作两路，一路经开关变压器T1的L1加到开关管VT1的集电极，另一路经R2降压后为VT1提供基极电压，开关管VT1开始导通，进入放大状态。

（3）自激振荡过程

开关管VT1导通后，有电流流过L1，L1马上产生上正下负的电动势e₁，L2上会感应出上负下正的电动势e₂，L2的下正电压经C4、R5反馈到VT1的基极，VT1的基极电压U_b1上升，电流I_b1增大，电流I_c1增大，电动势e₁增大，感应电动势e₂也增大，L2的下正电压更高，VT1的基极电压U_b1再上升，从而形成强烈的正反馈，正反馈如下：

正反馈结果使开关管VT1的电流I_b1、I_c1不断增大，当I_b1增大而I_c1不再随之增大（I_c1保持不变），VT1由放大进入饱和状态，VT1饱和后，L2上的电动势e₂对反馈电容C4充电（充电途径为L2下正→C4→R5→VT1的b极→e极→R4→L2的上负），在C4上充得左负右正的电压，C4的左负电压使VT1的U_b1下降，I_b1减小，随着C4充电的进行，U_b1不断下降，I_b1不断减小，当I_b1减小到一定值时，I_b1减小，I_c1也减小，开关管VT1由饱和退出进入放大状态。VT1进入放大状态后，I_c1减小使L1上产生上负下正的电动势e′₁，L2上感应出上正下负的电动势e₂′，L2的下负电压经C4、R5反馈到VT1的基极，VT1的基极电压U_b1下降，I_b1减小，I_c1减小，e′₁增大，感应电动势e₂′也增大，L2的下负电压更低，VT1的基极电压U_b1再下降，从而形成强烈的正反馈，正反馈如下：

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正反馈结果使开关管VT1的电流I_b1、I_c1不断减小，当I_b1减小到0时I_c1也为0，VT1由放大进入截止状态，在VT1截止期间，C1上的300V电压经R2对反馈电容C4充电（充电途径为C1上正→R2→R5→C4→L2→C2下负），充电先将C4上的左负右正电压抵消，再充得左正右负的电压，C4左正电压使VT1的U_b1上升，当U_b1上升到一定值时，VT1导通，由截止进入放大状态，VT1进入放大状态后，有I_b1、I_c1流过，I_c1在流经L1时，L1产生上正下负的电动势e₁，L2上感应出上负下正的电动势e₂，通过反馈使电路开始下一次振荡。

（4）输出电压及稳压过程

电源在自激振荡时，开关管VT1工作在开关状态（即导通、截止状态），在VT1处于导通状态时，开关变压器T1的L1上电动势的极性为上正下负，L2、L3上的感应电动势极性均为上负下正，二极管VD5、VD6均无法导通，当VT1处于截止状态时，L1上电动势的极性为上负下正，L2、L3上的感应电动势极性均为上正下负，二极管VD5、VD6均导通。L3上的电动势经VD6对C5充电，在C5上充得约6V的电压，该电压作为输出电压给手机充电。

L2上的电动势经VD5对C3充电（充电途径：L2上正→C3→VD5→L2下负），在C3上充得上正下负约6V的电压（L2、L3匝数相同），该电压作为稳压取样电压，由于C3上端与300V电压的负端连接，电压固定为0V，故C3下端电压应为-6V，如果稳压二极管VD4负极电压高于0.2V，VD4就会反向击穿，VD4两端电压保持6.2V不变。如果220V电压上升，C1充得300V电压升高，L1、L2、L3上的电动势升高，C5上充得的输出电压和C3上充得的取样电压均升高。C3上的电压高于6V，由于C3上端电压固定为0V，其下端电压则低于-6V，因稳压二极管VD4反向击穿后其两端电压维持6.2V电压差不变，故VD4负极电压低于0.2V，即C3上的电压升高会通过VD4使开关管VT1基极电压下降，VT1基极电压低，由截止进入导通所需时间长，即截止时间长，导通时间相对缩短，L1流过电流时间短，储能减少，在VT1截止时L1产生的电动势低。L3感应电动势下降，C5上的输出电压下降，恢复到6V电压。

（5）过电流保护过程

如果某些原因（如输入电压很高或输出电压负载过重）使VT1的I_c1很大，流过电流取样电阻R4的电流大，R4上的电压增大，VT1的U_e1升高，若U_e1大于1V，二极管VD3和VT2的发射结开始导通，即VT2会导通，VT2导通后会使开关管VT1的基极电压下降，VT1的导通时间缩短，这样缩短大电流通过开关管的时间，可避免开关管烧坏，这就像人手指接触高温物体，只要缩短接触时间，手指也不会烫伤一样。在VT2基极接二极管VD3，用于设定过电流保护起控点，只有流过R4的电流达到一定值使VT1的U_e1达到1V以上时，VD3才能导通，开始进行过电流保护控制。

（6）元器件说明

R1为大功率低阻值（1W/1Ω）电阻，当电源出现严重的过电流或短路故障时，R1会开路来切断输入电压，对电源电路进行保护；R3、C2、VD2为阻尼吸收电路，当开关管VT1由导通转为截止瞬间，开关变压器的L1会产生很高的上负下正的反峰电压（可达上千伏），如果不降低该电压，它易将开关管VT1的c、e极之间内部击穿，在L1两端并接R3、C2和VD2后，上负下正的反峰电压会使VD2导通而形成回路，反峰电压通过回路迅速被消耗而降低。

2.USB手机充电器接口类型

手机充电器的USB充电接口主要有两种，分别MicroUSB接口和MiniUSB接口，两种接口的宽度相似，而Micro USB接口高度约为Mini USB接口的一半。Micro USB接口和Mini USB接口内部有五个针脚，其功能如图10-5所示，手机充电器接口只使用两端的两个针脚（电源正极、电源负极）。

手机充电器的接口现在已经标准化，主要有Micro USB和Mini USB两种类型，如图10-5所示，接口内的1、5脚分别为输出电源的正、负极。

图10-5 手机充电器的USB充电接口类型及各针脚功能