关于新型节能Micro—USB充电器的设计及应用

2015-08-19唐靖杰

山东工业技术 2015年16期

关键词：节能

摘要：随着科技的迅速发展，便携式移动设备极大地改变了人们的生活方式。据统计，仅手机用户全球就有33亿，且用户数量还在不断地增长[1]。科技的迅速发展也加快了人们的生活节奏，通常情况下，人们为了使用方便，对手机、相机等电子移动设备完成充电后，并不主动从插线板上拔下充电器或切断电源。针对此现象提出了对传统Micro-USB充电器的改进措施和在实际生活中的应用。

关键词：节能；Micro-USB充电器；独立开关

1 分析现状

自进入21世纪以来，随着科学技术的迅速发展，便携式移动设备极大地改变了人们的生活方式。据统计，仅手机用户全球就有33亿，且用户数量还在不断地增长[1]。同时科技的迅速发展也加快了人们的生活节奏，通常情况下，人们为了使用方便，对手机、相机等电子移动设备完成充电后，并不主动从插线板上拔下充电器或切断电源。根据前期的市场调研统计汇总后，71%的用户在用电器充电完成后都不会主动拔掉充电器，同时通过查阅相关书籍和资料对国内外在充电器方面所做研究的现状进行调查：太阳能充电器.它是通过脉宽调制对手机电池充电进行智能控制，从而提高太阳能电池输出功率及手机电池的使用效率，达到延长电池使用寿命和节能目的的太阳能手机充电器，此设计由东华理工大学电子与机械工程学院杨云丽，宋振灿完成[2]。针对现有充电器的设计不足，洛阳大学设计了一种新型、节能、高效、快速、的充电电路，该电路具有易实现、便于扩充等特点[3]。基于单片机的智能充电器，这种充电器可以实时采集和计算电池的数据，并进行智能控制[4]。基于LNK616DG控制开关元件，采用反激式电路结构，实现低功耗和低成本的要求[5]。一款具有Micro-USB接口IC的产品由飞思卡尔半导体推出，它通过一个Micro-USB接口实现了外部附件的连接，包括充电器，麦克风，耳机和音频数据连接[6]。

2 提出问题：

通过国内外研究现状能够了解到，充电器在安全和节能方面已经达到了很高的水平，但是在用户体验方面还是有一定的欠缺。那怎样才能在满足安全节能的同时又能满足用户对使用方便性的需求呢？

3 研究内容：

3.1 内容一

充电器由220V市电电源通过插头引入，一端接在整流和降压稳压电路模块的输入端，另一端通过开关再接入整流和降压稳压电路模块的输入端，整流和降压稳压电路模块通过充电器输出，充电器和电源开关联动，电路图如图1所示。

方案一：在传统的Micro-USB（公口）内部增加独立开关，如将电源开关安装在标准Micro-USB（公口）低压充电器旁，1是电路板，2是Micro-USB（公口），3是绝缘凸起，4是开关压簧片，5是Micro-USB（母口），常态下没有插入，两个开关压簧片处于断开状态，当把Micro-USB（母口）插入Micro-USB（公口）时，Micro-USB（母口）将绝缘凸起顶向开关，使两个开关压簧片4闭合。电路自动接通，按电路图1所示，即通过插拔插头的方式可完成接通或者完全切断交流电源实现节能降耗的目的，Micro-USB（公口）与Micro-USB（母口）如图2和图3所示。

方案二：在传统充电器中增加旋转式独立开关，6是可往复旋转的端盖，在端盖6上安装有电源开关7、开关压簧8和直流电源输出充电器9，图中外壳10和对应压簧8的部位有一段凸起，按逆时针方向扭动端盖6到图4所示位置时，压簧和开关弹起，开关断开，按顺时针方向扭动端盖6到图5位置时，外壳10上的凸起通过压簧将开关压下使其接通。电路连接如图一所示，开关闭合整流和降压稳压电路模块接通，低压充电器供电，当开关断开，电路模块断电，完全切断交流市电，无待机空耗，从而实现节能降耗的目的。旋转式独立开关如图4和图5所示。

3.2 内容二

在传统Micro-USB充电器中增加电压检测电路，使其能够控制电路通断。基本原理：当充电器在有负载时，安装在传统Micro-USB充电器次级整流器后的可控精密稳压源（TL431）可对电路进行分压取样[7]。取样后的电压会被送到电压比较器A中，通过比较反向端和同相端电压高低从而来控制输出电平。当反向端电压大于同相端时，输出低电平，比较器B的反向端通过D2将电压拉低，比较器B输出高电平控制场效应使电路导通。当负载充电完成后，电流会降到20mA以下，比较器A反向端电压低于同相端，D2截止，比较器B输出低电平，场效应截止，充电器停止对负载充电[8]。图6中通过R7和C7可以决定延迟时间，本方案取20秒，如果不连接负载直接插本充电器，那么20秒后自动断电。（增加电压检测电路的电路图如图6所示。

4 研究意义

总结充电器在空载情下的危害主要有以下3点：

4.1 耗能严重

通过使用万用表，功率测试仪，温度计等测试工具对3款主流品牌的USB充电器进行实测，输出电压电流均为直流5V1A。测试时室内湿度为15%，温度为24℃，电源电压约为220V，频率为50Hz，条件符合充电器的使用标准。通过测试，三款充电器中最大的功率为0.9W。在YD/T 1591-2009《移动通信终端电源适配器及充电/数据接口技术要求和测试方法》中规定电源适配器的额定输出电流应在500mA至1500mA的范围内[9]。测试的三款USB充电器全都符合这一标准。而该行业标准同时还标明，在电源适配器无负载能量消耗下，功率消耗小于150mA[9]。通过换算，三款USB充电器明显超过这一标准，但此项标准定并非强制性。根据计算，0.9W的耗电量，对于大多数人而言是微不足道，因为1111小时才会消耗掉1KWh（也就是1度电），但是，如果使用充电器的用户都不注重这些，那么结论是非常惊人的。经调查2012年三大运营商的手机用户总量接近10亿人[10]，如果有七分之一的人在充电完成后不拔充电器，那么，每天就有1.43亿个充电器插在插线板上，按照每个充电器0.9W的耗电量来计算，其总功率约合128700KW，相当于18385710个家用节能灯运转。endprint

4.2 辐射危害

充电器在空载状态会有电磁辐射，那么充电器空载状态的辐射会对人体有伤害吗？经有关专家测试，充电器空载状态的情况下，30厘米的范围内都会有辐射，其磁感应强度最高达到1400毫高斯。辐射会杀死人体少部分的免疫细胞，这有可能会对人体的健康造成一定的损害[11]。

4.3 火灾影响

充电器长时间空载插在插线板上会造成充电器内部元件老化，这不仅缩短了充电器的使用寿命，甚至还可能引发触电，火灾，爆炸等危害！

因此基于这三点危害，研制一款新型节能充电器显得十分必要。本设计作品通过在传统的USB充电器上增加独立开关，从而控制输入电源的接通和断开，这样在拔掉负载后就可以完全断开输入电源。这不仅在为消费者提供方便的同时也实现了节能降耗的目的，而且也相对延长了电路元器件的使用寿命。

5 应用创新点

（1）通过在标准Micro-USB（公口）的内部增加独立开关来控制电路的接通与断开，使充电器在节省电能的同时相对延长电路元件的使用寿命。

（2）改变充电器的内部结构使充电器在节省电能的同时相对延长电路元件的使用寿命。

本产品与传统USB充电器相比主要有四大优势：

1）本品有节约能源的优势。

2）充电器上的插头是有使用寿命的，经常的拔插会造成插头和充电器连接处损害。而本产品更加人性化，能在方便的同时防止由于长期的插拔对插头的损害。

3）本产品保证了制造的成本。