關(guān)于新型節(jié)能Micro-USB充電器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

唐靖杰（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化系,呼和浩特 010010）

關(guān)于新型節(jié)能Micro-USB充電器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

唐靖杰
（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化系,呼和浩特 010010）

隨著科技的迅速發(fā)展，便攜式移動(dòng)設(shè)備極大地改變了人們的生活方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅手機(jī)用戶全球就有33億，且用戶數(shù)量還在不斷地增長[1]。科技的迅速發(fā)展也加快了人們的生活節(jié)奏，通常情況下，人們?yōu)榱耸褂梅奖?，對手機(jī)、相機(jī)等電子移動(dòng)設(shè)備完成充電后，并不主動(dòng)從插線板上拔下充電器或切斷電源。針對此現(xiàn)象提出了對傳統(tǒng)Micro-USB充電器的改進(jìn)措施和在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

節(jié)能；Micro-USB充電器；獨(dú)立開關(guān)

1 分析現(xiàn)狀

自進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，便攜式移動(dòng)設(shè)備極大地改變了人們的生活方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅手機(jī)用戶全球就有33億，且用戶數(shù)量還在不斷地增長[1]。同時(shí)科技的迅速發(fā)展也加快了人們的生活節(jié)奏，通常情況下，人們?yōu)榱耸褂梅奖悖瑢κ謾C(jī)、相機(jī)等電子移動(dòng)設(shè)備完成充電后，并不主動(dòng)從插線板上拔下充電器或切斷電源。根據(jù)前期的市場調(diào)研統(tǒng)計(jì)匯總后，71%的用戶在用電器充電完成后都不會(huì)主動(dòng)拔掉充電器，同時(shí)通過查閱相關(guān)書籍和資料對國內(nèi)外在充電器方面所做研究的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查：太陽能充電器.它是通過脈寬調(diào)制對手機(jī)電池充電進(jìn)行智能控制,從而提高太陽能電池輸出功率及手機(jī)電池的使用效率,達(dá)到延長電池使用壽命和節(jié)能目的的太陽能手機(jī)充電器，此設(shè)計(jì)由東華理工大學(xué)電子與機(jī)械工程學(xué)院楊云麗，宋振燦完成[2]。針對現(xiàn)有充電器的設(shè)計(jì)不足,洛陽大學(xué)設(shè)計(jì)了一種新型、節(jié)能、高效、快速、的充電電路，該電路具有易實(shí)現(xiàn)、便于擴(kuò)充等特點(diǎn)[3]?；趩纹瑱C(jī)的智能充電器,這種充電器可以實(shí)時(shí)采集和計(jì)算電池的數(shù)據(jù),并進(jìn)行智能控制[4]。 基于LNK616DG控制開關(guān)元件，采用反激式電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低功耗和低成本的要求[5]。一款具有Micro-USB接口IC的產(chǎn)品由飛思卡爾半導(dǎo)體推出，它通過一個(gè)Micro-USB接口實(shí)現(xiàn)了外部附件的連接，包括充電器，麥克風(fēng)，耳機(jī)和音頻數(shù)據(jù)連接[6]。

2 提出問題：

通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀能夠了解到，充電器在安全和節(jié)能方面已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，但是在用戶體驗(yàn)方面還是有一定的欠缺。那怎樣才能在滿足安全節(jié)能的同時(shí)又能滿足用戶對使用方便性的需求呢？

3 研究內(nèi)容:

3.1 內(nèi)容一

充電器由220V市電電源通過插頭引入，一端接在整流和降壓穩(wěn)壓電路模塊的輸入端，另一端通過開關(guān)再接入整流和降壓穩(wěn)壓電路模塊的輸入端，整流和降壓穩(wěn)壓電路模塊通過充電器輸出，充電器和電源開關(guān)聯(lián)動(dòng)，電路圖如圖1所示。

圖1 節(jié)能USB充電器接線電路圖

方案一：在傳統(tǒng)的Micro-USB（公口）內(nèi)部增加獨(dú)立開關(guān)，如將電源開關(guān)安裝在標(biāo)準(zhǔn)Micro-USB（公口）低壓充電器旁，1是電路板，2是Micro-USB（公口），3是絕緣凸起，4是開關(guān)壓簧片，5是Micro-USB（母口），常態(tài)下沒有插入，兩個(gè)開關(guān)壓簧片處于斷開狀態(tài)，當(dāng)把Micro-USB（母口）插入Micro-USB（公口）時(shí)，Micro-USB（母口）將絕緣凸起頂向開關(guān)，使兩個(gè)開關(guān)壓簧片4閉合。電路自動(dòng)接通，按電路圖1所示，即通過插拔插頭的方式可完成接通或者完全切斷交流電源實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，Micro-USB（公口）與Micro-USB（母口）如圖2和圖3所示。

圖2 Micro-USB（公口）與Micro-USB（母口）未連接狀態(tài)

圖3 Micro-USB（公口）與Micro-USB（母口）連接狀態(tài)

方案二：在傳統(tǒng)充電器中增加旋轉(zhuǎn)式獨(dú)立開關(guān)，6是可往復(fù)旋轉(zhuǎn)的端蓋，在端蓋6上安裝有電源開關(guān)7、開關(guān)壓簧8和直流電源輸出充電器9，圖中外殼10和對應(yīng)壓簧8的部位有一段凸起，按逆時(shí)針方向扭動(dòng)端蓋6到圖4所示位置時(shí)，壓簧和開關(guān)彈起，開關(guān)斷開，按順時(shí)針方向扭動(dòng)端蓋6到圖5位置時(shí)，外殼10上的凸起通過壓簧將開關(guān)壓下使其接通。電路連接如圖一所示，開關(guān)閉合整流和降壓穩(wěn)壓電路模塊接通，低壓充電器供電，當(dāng)開關(guān)斷開，電路模塊斷電，完全切斷交流市電，無待機(jī)空耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。旋轉(zhuǎn)式獨(dú)立開關(guān)如圖4和圖5所示。

3.2 內(nèi)容二

在傳統(tǒng)Micro-USB充電器中增加電壓檢測電路，使其能夠控制電路通斷。基本原理：當(dāng)充電器在有負(fù)載時(shí)，安裝在傳統(tǒng)Micro-USB充電器次級整流器后的可控精密穩(wěn)壓源（TL431）可對電路進(jìn)行分壓取樣[7]。取樣后的電壓會(huì)被送到電壓比較器A中，通過比較反向端和同相端電壓高低從而來控制輸出電平。當(dāng)反向端電壓大于同相端時(shí)，輸出低電平，比較器B的反向端通過D2將電壓拉低，比較器B輸出高電平控制場效應(yīng)使電路導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載充電完成后，電流會(huì)降到20mA以下，比較器A反向端電壓低于同相端，D2截止，比較器B輸出低電平，場效應(yīng)截止，充電器停止對負(fù)載充電[8]。圖6中通過R7和C7可以決定延遲時(shí)間，本方案取20秒，如果不連接負(fù)載直接插本充電器，那么20秒后自動(dòng)斷電。（增加電壓檢測電路的電路圖如圖6所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)式獨(dú)立開關(guān)處于斷開狀態(tài)

圖5 旋轉(zhuǎn)式獨(dú)立開關(guān)處于接通狀態(tài)

4 研究意義

總結(jié)充電器在空載情下的危害主要有以下3點(diǎn)：

4.1 耗能嚴(yán)重

通過使用萬用表，功率測試儀，溫度計(jì)等測試工具對3款主流品牌的USB充電器進(jìn)行實(shí)測，輸出電壓電流均為直流5V1A。測試時(shí)室內(nèi)濕度為15%，溫度為24℃，電源電壓約為220V，頻率為50Hz，條件符合充電器的使用標(biāo)準(zhǔn)。通過測試，三款充電器中最大的功率為0.9W。在YD/T 1591-2009《移動(dòng)通信終端電源適配器及充電/數(shù)據(jù)接口技術(shù)要求和測試方法》中規(guī)定電源適配器的額定輸出電流應(yīng)在500mA至1500mA的范圍內(nèi)[9]。測試的三款USB充電器全都符合這一標(biāo)準(zhǔn)。而該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)還標(biāo)明，在電源適配器無負(fù)載能量消耗下，功率消耗小于150mA[9]。通過換算，三款USB充電器明顯超過這一標(biāo)準(zhǔn)，但此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)定并非強(qiáng)制性。根據(jù)計(jì)算，0.9W的耗電量，對于大多數(shù)人而言是微不足道，因?yàn)?111小時(shí)才會(huì)消耗掉1KWh（也就是1度電），但是，如果使用充電器的用戶都不注重這些，那么結(jié)論是非常驚人的。經(jīng)調(diào)查2012年三大運(yùn)營商的手機(jī)用戶總量接近10億人[10]，如果有七分之一的人在充電完成后不拔充電器，那么，每天就有1.43億個(gè)充電器插在插線板上，按照每個(gè)充電器0.9W的耗電量來計(jì)算，其總功率約合128700KW，相當(dāng)于18385710個(gè)家用節(jié)能燈運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 輻射危害

充電器在空載狀態(tài)會(huì)有電磁輻射，那么充電器空載狀態(tài)的輻射會(huì)對人體有傷害嗎？經(jīng)有關(guān)專家測試，充電器空載狀態(tài)的情況下，30厘米的范圍內(nèi)都會(huì)有輻射，其磁感應(yīng)強(qiáng)度最高達(dá)到1400毫高斯。輻射會(huì)殺死人體少部分的免疫細(xì)胞，這有可能會(huì)對人體的健康造成一定的損害[11]。

4.3 火災(zāi)影響

充電器長時(shí)間空載插在插線板上會(huì)造成充電器內(nèi)部元件老化，這不僅縮短了充電器的使用壽命，甚至還可能引發(fā)觸電，火災(zāi)，爆炸等危害！

因此基于這三點(diǎn)危害，研制一款新型節(jié)能充電器顯得十分必要。本設(shè)計(jì)作品通過在傳統(tǒng)的USB充電器上增加獨(dú)立開關(guān)，從而控制輸入電源的接通和斷開，這樣在拔掉負(fù)載后就可以完全斷開輸入電源。這不僅在為消費(fèi)者提供方便的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的，而且也相對延長了電路元器件的使用壽命。

5 應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)

圖6 傳統(tǒng)Micro-USB充電器中增加電壓檢測電路的電路圖

（1）通過在標(biāo)準(zhǔn)Micro-USB（公口）的內(nèi)部增加獨(dú)立開關(guān)來控制電路的接通與斷開，使充電器在節(jié)省電能的同時(shí)相對延長電路元件的使用壽命。

（2）改變充電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使充電器在節(jié)省電能的同時(shí)相對延長電路元件的使用壽命。

本產(chǎn)品與傳統(tǒng)USB充電器相比主要有四大優(yōu)勢：

1）本品有節(jié)約能源的優(yōu)勢。

2）充電器上的插頭是有使用壽命的，經(jīng)常的拔插會(huì)造成插頭和充電器連接處損害。而本產(chǎn)品更加人性化，能在方便的同時(shí)防止由于長期的插拔對插頭的損害。

3）本產(chǎn)品保證了制造的成本。

4）可相對延長充電器中電路元件的使用壽命。

[1]堀切.近史.USB手機(jī)充電器將獲得飛躍發(fā)展[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2007（10）:67-68.

[2]楊云麗,宋振燦.太陽能手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量，2009（04）:26-29.

[3]王云霞，邵麥頓.新型快速節(jié)能充電器的電路設(shè)計(jì)[N].洛陽大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,19（04）:33-36.

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[6]飛思卡爾半導(dǎo)體公司.飛思卡爾迷你USB接口IC實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)設(shè)備充電、音頻和數(shù)據(jù)的單一連接[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2009,35（12）:23-23.

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唐靖杰（1993-）,男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,本科，研究方向是機(jī)械制造與設(shè)計(jì)。