一種萬能快捷智能充電器的設(shè)計(jì)與研究

沈曄超，楊 浩，王 亮

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖 241002）

隨著便攜式電子設(shè)備行業(yè)的快速發(fā)展[1]，智能手機(jī)、平板等電子設(shè)備也隨之得到快速普及。為了增加便攜移動(dòng)式電子設(shè)備的續(xù)航效果[2]，常常也會(huì)增大充電器的功率[3]。伴隨著充電器功率的增大也次生了發(fā)熱量增加[4]等不利因素，現(xiàn)有技術(shù)中很多手機(jī)充電器在充電過程中發(fā)熱過量導(dǎo)致其外殼溫度過高，甚至比較燙手。充電器工作時(shí)的較高溫度容易加快電子元器件的老化[5]，帶來了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。不同移動(dòng)設(shè)備的充電接口不盡相同，30pin、Micro usb、lightning、Type-c是目前常用移動(dòng)設(shè)備上最常見的四種接口形式。過多的充電口配置也給用戶充電器的日常攜帶造成了困擾[6]。近年來，許多專家學(xué)者對(duì)不同形式的充電器原理及其性能進(jìn)行了研究，這些研究分別通過無線充電技術(shù)、光致前體方法、快速響應(yīng)和長循環(huán)壽命控制分析了使用不同充電器充電條件下電源傳輸效率，電荷轉(zhuǎn)移速度、存儲(chǔ)和釋放電量之間的相互關(guān)系[7-9]。后來，有人研究了全橋LLC諧振變換器拓?fù)?、雙三相PMSM，設(shè)計(jì)了額定電壓范圍內(nèi)充電時(shí)的功率控制策略[10-11]，但目前針對(duì)輸出電壓手動(dòng)調(diào)節(jié)、溫度超標(biāo)后熱量主動(dòng)耗散、充電接頭便捷替換的萬能快捷智能充電器的設(shè)計(jì)研究還比較少見。

立足當(dāng)前技術(shù)不足的情況，通過在殼體上設(shè)置多個(gè)通風(fēng)口，在現(xiàn)有充電器的基礎(chǔ)上增加散熱組件，提升充電器的散熱功能，利用溫度傳感器將檢測到的充電控制板溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至微控制器中，經(jīng)微控制器驅(qū)動(dòng)內(nèi)置在殼體中的風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)用顯示屏交互充電器的工作狀態(tài)，添加DCDC變換器進(jìn)行不同移動(dòng)設(shè)備所需電壓間的充電轉(zhuǎn)換，為不同負(fù)載的移動(dòng)設(shè)備使用單一充電器進(jìn)行額定條件下的安全充電提供了可能，采用磁吸形式的接頭實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)快捷接頭的替換，為充電器的降溫安全驅(qū)動(dòng)和萬能接頭轉(zhuǎn)換條件下的快速充電提出了一種新的方法。

一 萬能快捷智能充電器的構(gòu)架思路

為了實(shí)現(xiàn)萬能快捷智能充電，采用如下構(gòu)架思路：在充電器的殼體上設(shè)置多個(gè)通風(fēng)口，充電器殼體內(nèi)設(shè)置充電控制板，充電控制板上設(shè)置溫度傳感器和微控制器，溫度傳感器與微控制器連接，用于將檢測到的充電控制板的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至微控制器中，微控制器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與風(fēng)扇的電機(jī)連接，用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)置于殼體中的風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，萬能快捷智能充電器的具體結(jié)構(gòu)原理如下圖1所示。

圖1 萬能快捷智能充電器結(jié)構(gòu)原理圖

如圖1所示，實(shí)施充電控制的電路板是萬能快捷智能充電器的控制核心，其上集成設(shè)置有安全電路、功率電路等，外部由保護(hù)殼體進(jìn)行防護(hù)。由于充電控制板是充電器殼體內(nèi)主要發(fā)熱部件，將溫度傳感器集成在充電控制板上，可以實(shí)時(shí)檢測充電時(shí)的發(fā)熱溫度，在微控制器中預(yù)設(shè)發(fā)熱溫度閾值，當(dāng)溫度大于該閾值時(shí)，微控制器控制風(fēng)扇啟動(dòng)工作，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力散熱功能。

二 萬能快捷智能充電器的控制結(jié)構(gòu)原理

微控制器選用AT80C52型單片機(jī)，溫度傳感器采用DS18B20，溫度傳感器的DQ引腳輸出端與單片機(jī)的輸入端口連接，在溫度大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)后產(chǎn)生氣流流動(dòng)，從而完成殼體內(nèi)部的散熱功能。

與微控制器機(jī)相連，通過單片機(jī)控制發(fā)光的LED指示燈設(shè)置在殼體外側(cè)。在風(fēng)扇工作后，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)指示燈發(fā)出燈光來給出風(fēng)扇工作的提醒信號(hào)。充電控制板上充電功率電路包括DCDC變換器，單片機(jī)的輸入端、輸出端分別與設(shè)置在殼體上的按鍵模塊和DCDC變換器相連，用于實(shí)現(xiàn)充電器的輸出電壓大小調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同充電設(shè)備的需求。外殼上設(shè)有與微控制器相連的顯示屏，用于根據(jù)微控制器的控制情況進(jìn)行顯示。

用戶可以通過按鍵來調(diào)整修改DCDC變換器的輸出電壓，單片機(jī)接收到按鍵信號(hào)后控制輸出DCDC變換器的輸出控制信號(hào)，進(jìn)而控制DCDC變換器的輸出，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)DCDC變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)。同時(shí)可通過單片機(jī)控制顯示屏選擇顯示此時(shí)的輸出電壓或溫度數(shù)據(jù)，方便用戶調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，輸出電壓和實(shí)時(shí)溫度分別根據(jù)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)和溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)來確定。圖2為單片機(jī)與LM016液晶顯示屏以及設(shè)計(jì)組件連接的電路原理圖，通過電路原理圖即可實(shí)現(xiàn)按鍵控制和基于單片機(jī)的液晶顯示屏控制。

圖2 采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)顯示屏的原理圖

三 萬能快捷智能充電器的散熱結(jié)構(gòu)原理

萬能快捷智能充電器的結(jié)構(gòu)示意圖（剖視圖）如圖3所示，其殼體外形以立方體形狀為例。

圖3 萬能快捷智能充電器散熱結(jié)構(gòu)示意圖

在殼體相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)側(cè)面上（如左右、前后）設(shè)置通風(fēng)口，通風(fēng)口包括進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口一側(cè)殼體內(nèi)設(shè)置風(fēng)扇，風(fēng)扇通過固定支架與殼體內(nèi)壁固定連接，殼體內(nèi)的充電控制板通過支架與內(nèi)壁固定連接。由于進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口分別設(shè)置在相互對(duì)應(yīng)的殼體側(cè)面上，當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，采用氣流流動(dòng)進(jìn)行散熱。殼體選用PC/ABS阻燃耐熱材料制成。風(fēng)扇采用微型風(fēng)扇，再安裝增加消音棉進(jìn)行固定消音，降低運(yùn)行的噪音，提升體驗(yàn)。

由于單片機(jī)、風(fēng)扇等工作需要供電，設(shè)置供電電路，供電電路的輸入端與充電器的交流電輸入端連接，供電電路的輸出端分別為單片機(jī)、風(fēng)扇工作供電，供電電路包括ACDC轉(zhuǎn)換器、DCDC電路、穩(wěn)壓電路。當(dāng)充電器工作時(shí)，交流電會(huì)流經(jīng)充電電路，經(jīng)整流電路進(jìn)行交直流變換，再經(jīng)過直流變換和穩(wěn)壓輸出后分別為各模塊供電，只要充電器工作時(shí)單片機(jī)和風(fēng)扇等其它電氣元件就可以得電工作，無需設(shè)置電池等外部單獨(dú)供電裝置，設(shè)備供電即插即用，方便快捷。

四 充電接口快換功能的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)不同移動(dòng)設(shè)備充電接口之間的快速轉(zhuǎn)換，采用不同的磁吸接頭，將輸入電能轉(zhuǎn)為其它不同移動(dòng)設(shè)備、電池的充電電源。磁吸式充電線利用異名磁極相互吸引的特性實(shí)現(xiàn)吸附功能，由母端組件和與其同軸的公端組件共同組成。磁吸線兩端分別設(shè)置磁性物質(zhì)和磁鐵，當(dāng)兩端距離縮小至磁力控制范圍以內(nèi)時(shí)，就可以自動(dòng)對(duì)吸充電，用戶操作簡單方便，其模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 磁吸式充電線結(jié)構(gòu)模型

由于使用了磁吸充電器，可以實(shí)現(xiàn)不同電子設(shè)備與220V電壓之間的充電。為了防止移動(dòng)電子設(shè)備的過充現(xiàn)象，使用電壓差充電模式，即充電過程中，充電電流的大小與充電器輸出電壓和充電電池電壓的差值負(fù)相關(guān)，直到兩端電壓相等時(shí)充電電流降低至0，充電過程結(jié)束。磁吸式充電線的實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 磁吸式充電線實(shí)物圖

五 萬能快捷智能充電器的整體結(jié)構(gòu)和重量設(shè)計(jì)

以常見充電器外形為例，構(gòu)建萬能快捷充電器外部輪廓，如圖6所示。

圖6 萬能快捷充電器外部輪廓

從萬能快捷充電器外部輪廓圖中可見，所示案例中的充電器外部輪廓主要由置于左側(cè)的進(jìn)風(fēng)口1、置于右側(cè)頂部和底部對(duì)稱分布的出風(fēng)口2、輸出充電電壓的USB輸出端3、給充電器供電的220V電源接頭4、工作指示燈5和液晶屏6組成。當(dāng)充電器工作狀態(tài)下內(nèi)部溫度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，內(nèi)部風(fēng)扇工作，帶動(dòng)氣流從進(jìn)風(fēng)口1進(jìn)入充電器內(nèi)部，通過上下兩側(cè)對(duì)稱分布的出風(fēng)口2流出，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部過高溫度的耗散，充電器內(nèi)腔溫度得以控制，在此過程中，工作指示燈5和液晶屏6實(shí)時(shí)顯示充電器當(dāng)前工作狀態(tài)。萬能快捷充電器外部輪廓和常見充電器區(qū)別主要在于進(jìn)出散熱風(fēng)口和液晶顯示器的設(shè)置，其余相差不大。

為了直觀顯示萬能快捷充電器內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)，在圖7萬能快捷充電器整體簡圖中透明化處理殼體后可見：散熱風(fēng)扇1置于進(jìn)氣口內(nèi)側(cè)殼體壁板上，充電控制板2在完成輸出電壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上通過傳感器和微處理器控制風(fēng)扇1的啟動(dòng)和停止。在散熱氣流進(jìn)出口處均設(shè)置密集多孔狀防塵網(wǎng)3，避免外部空氣流入殼體內(nèi)部的過程中引入灰塵和雜質(zhì)，造成對(duì)內(nèi)部電子元器件的損傷。

圖7 萬能快捷充電器整體簡圖

由于小型液晶屏和防塵網(wǎng)本身重量極其有限，液晶屏安裝還需要去除殼體上的等大面積材料造成減重，防塵網(wǎng)的增加也伴隨著出入風(fēng)口的孔狀設(shè)計(jì)，因此液晶屏和防塵網(wǎng)的加入并未造成萬能快捷充電器重量實(shí)質(zhì)上的增加。與傳統(tǒng)充電器相比，萬能快捷充電器的最大增重之處為在原有充電器的基礎(chǔ)上添加了散熱風(fēng)扇。當(dāng)前技術(shù)條件下，散熱風(fēng)扇小型化和輕型化技術(shù)日臻成熟，可選擇規(guī)格繁多，以RFA1504U型號(hào)超低電流微型軸流風(fēng)扇為例，其額定電壓為2.4V，額定電流為8mA，轉(zhuǎn)速能達(dá)到5000r/min，重量卻只有1.4g。表1列舉了市場上部分常見品牌充電器型號(hào)和重量。

表1 部分常見品牌充電器重量統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)比可以看出，常見品牌充電器的重量約在100g附近，而可選散熱風(fēng)扇的重量能夠控制在2g以下，添加散熱風(fēng)扇對(duì)于充電器總體重量的影響非常微小。因此萬能快捷智能充電器可以在增強(qiáng)充電器散熱性能的同時(shí)保持常規(guī)充電器重量輕、外部輪廓小、攜帶方便的特點(diǎn)。

六 結(jié)語

萬能快捷智能充電器由實(shí)施充電控制的電路板和保護(hù)內(nèi)部電氣元件的殼體構(gòu)成。殼體上設(shè)置多個(gè)通風(fēng)口，在充電控制板上設(shè)置DS18B20溫度傳感器和與之相連的AT80C52單片機(jī)，用于將檢測到的充電控制板溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至微控制器中。殼體內(nèi)設(shè)置經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與微控制器連接的風(fēng)扇電機(jī)，從而使得內(nèi)置風(fēng)扇電機(jī)能夠在微控制器的調(diào)控下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)工作。通過增加設(shè)置風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電器過多發(fā)熱量的風(fēng)力耗散，減少了常見大功率快充充電器散熱問題，增強(qiáng)了充電器的安全性能，在一定程度上提高了使用壽命；通過指示燈可以指示風(fēng)扇的工作狀態(tài)，向用戶做到即時(shí)反饋，借助LM016顯示屏可以顯示輸出電壓或當(dāng)前溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。利用磁吸式結(jié)構(gòu)，解決了不同移動(dòng)設(shè)備充電時(shí)接口轉(zhuǎn)換不便的難題。萬能快捷智能充電器重量較輕、外部輪廓較小、攜帶方便，具有一定的實(shí)用價(jià)值。