论文总字数：13473字

目 录

1 绪论 5

1.1 课题研究的背景及意义 5

1.2 国内外研究现状 5

2 系统整体框架设计 6

2.1 系统基本要求 6

2.2 整体设计原理 6

2.3 电源的选择 6

2.4 系统控制方式选择 8

3 系统硬件设计 10

3.1电源模块 10

3.1.1 12V电源适配器 10

3.1.2 LM2596开关电源调节器 10

3.1.3 MC34063开关电源 11

3.2 控制模块 11

3.2.1 线性稳压电源模块 11

3.1.2 MC34063开关电源模块 12

3.2.2 MSP430单片机开发板 12

3.2.3 数字定位器 14

3.3 反馈模块 14

3.4 显示模块 15

4 系统软件设计 16

4.1 充电过程 16

4.1.1 预充电 16

4.1.2 快速充电 16

4.1.3 接近满电 16

4.1.4 满电 16

4.2 程序控制策略 17

5 测试与实验 17

6 结论与体会 18

6.1 总结 18

6.2 体会 18

参考文献 18

致谢 20

基于开关电源的智能手机充电器

张跃

, China

ABSTRACT: The birth of a switching power supply greatly improves the efficiency of electrical used energy, and reduces product size, weight. It is a milestone in the power development of history. The research is mainly to achieve the intelligent charging mode of a smartphone based on switching power supply. The main principle is to use the microprocessor of switch power supply pulse width modulation to change current/voltage output so as to complete intelligent charging process and realize intelligent charging for mobile phone. Hardware components include the provided power adapter, step-down module, linear voltage regulator, switching power supply module, digital potentiometer, an operational amplifier, the SCM system and liquid crystal display modules. Software part is required to achieve the appropriate charging mode function based on the detected voltage and current selection, in order to achieve fast charging under the premise of safety requirements and extending battery life. Ultimately, we can observe the changes in value of the whole process of charging voltage and current on the LCD screen.

Keywords: Smart charger; switching power supply; pulse width modulation (PWM); MSP430 Single chip microcomputer

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

21世纪电子科学技术进入了高速发展的时期，越来越多的高科技电子设备被用于各个领域中。智能手机作为其中的一个代表，在不断发展普及的过程中，日益密切地联系着人们的生活工作。由于智能手机电量有限且电耗较高，加之人们形成了重度使用智能手机的习惯，导致手机至少一天一次充电甚至两次或三次充电。因此，一个小巧轻便、快速安全的手机充电器是人们不可或缺的随身物品。

电子科学技术的持续发展，电子设备的持续更新换代，对电源的选择有了更加严格的要求。智能手机集成了新一代电子科学技术，是人们日常生活工作不可或缺的重要设备，对电源的要求更加严格。智能手机的迅猛普及，需要设计一个统一标准的手机充电器，能够给智能手机充电安全快速的充电。由于已学习过单片机系统、模拟电子电路基础、电子电力基础等专业课程，因此完全能够将其应用于智能手机充电器的设计上。

开关模块电源作为一种新式电源，应用于电子技术的各个方面，给人们的生活工作带来极大的便利。它具有小巧轻便、高效安全的特点，和体积巨大、效率低下的传统线性电源相比，完全能满足人们对手机充电器的实际需求。在安全的前提下，如何加快手机充电器的充电速度，是摆在人们面前的一道难题。鉴于此，引入智能芯片来控制开关电源的充电电压和电流，实现整个过程的智能调控，最终能达成以安全为前提条件下的智能化快速充电。

1.2 国内外研究现状

自从美国为搭载火箭开发出首个开关电源以来，开关电源逐渐取代了传统的线性稳压电源成为被广泛用于电子设备中的新一代电源。微型科学技术的发展尤其是集成电路工艺的不断改进，大大减小了开关电源的体积并且趋于模块化设计。脉宽调制集成电路的诞生为开关电源的控制打下了良好的基础，而集成了PWM控制器的集成芯片更是拓宽了开关电源的使用道路。开关器件的频率随着电子技术的发展不断变高，甚至达到了MHz级别。特别是集成化的中小功率管为单片电源的发展做出了卓越的贡献。到目前为止，单片开关电源已经发展了上百种产品，为电力行业带来了极大的便利。单片开关电源具有便旺盛的生命力，掀开了电源发展史上一座新的里程碑，受到了世人的广泛关注。但是单片式开关电源基本上只能使用与中小功率开关电源，在大功率开关电源上遇到了极大的阻力，更不要说超大功率开关电源。分布式开关电源的提出很好地解决了单片开关电源的缺点。它是由若许多个小容量的电源模块组合而成的一个大容量的电源系统。和传统的单片开关电源供电比较起来，采用并联方式级联的开关电源具有超大的容量，同时也能提高电能的利用率。分布式开关电源还具有良好的扩充性和兼容性，并且能够节省成本。

相比于国外的先进开关电源技术，国内的开关电源技术由于起步晚，导致落后几个级别。当前我们国家的开关模块电源市场被国外知名品牌占据了一半以上，攫取了大部分开关电源市场的利润。但是考虑到国内正在加大对开关电源技术的投入，我们有理由相信国内的开关电源会不断发展起来，最终实现开关电源模块的自我供给。 

如果将开关电源比作节约型经济模式，则线性电源就是粗放式经济模式。开关电源的普及节省了大量人力物力投入，降低了制造成本，提高了电能利用率，有利于我国转变为集约型经济发展方式。同时由于其占据较小了空间和非常低的发热，改善了人们的周围生存环境。

近年来，我国大力推进电网改造，用来取代传统的线性电源电网。目前国内通信方面的巨头公司如比如华为中兴等已经陆续推出了相关的产品，国内生产的开关电源产品已经占据了相当一部分市场，得到了市场的一致肯定。

2 系统整体框架设计

2.1 系统基本要求

能够使用开关电源完成智能充电过程，当手机电源电压小时，充电电流大；当手机电源电压较大时，充电电流小；同时在显示屏上观察到电压和电流的智能变化。

2.2 整体设计原理

电源设配器将220V交流电转变为12V直流电，其中一路由开关电压调节器将其变为5V作为MC34063开关电源的输入电压，还有一路由LM7805线性稳压电源将其变为5V来为MSP430单片机开发板的提供电源。

MSP430单片机发出命令，使数字电位器输出高低电平，调制开关电源的PWM来输出电压和电流。按照预先设置好的充电模式，调整PWM占空比来改变输出电压和电流大小，实现快速安全的智能充电的过程。

充电过程：开始检测电池电压，假如电池电压小于标准电压，则进行预充电（小电流充电）；假如电压达到标准电压，进行恒流充电（恒定大电流），直至电量的90%（即接近饱和电压）；接近饱和电压时，进行恒压充电至电流变为一定大小时转变为涓流充电（小电流充电）；一旦达到饱和电压立即切断电源，同时检测电池电压，一旦电压下降到一定标准则继续进行涓流充电使电压达到饱和电压，如此循环下去。

2.3 电源的选择

电力的产生有力的推动了第二次工业革命的产生，因此第二次工业革命也叫做电力革命，世界进入了电力时代。而到了第三次工业革命即信息革命，电力仍然是人们必不可少的能源，电力被应用于电子技术的各个方面。电子技术高速发展的同时，也对电源的要求越发严格。

电源由于采用的原理不同可以分成线性电源和开关电源。本设计采用开关电源而不用线性电源，因为线性电源体积大且效率低还会产生巨大的热量。对于线性电源而言，其内部变压器和电容的体积大小和交流电流的频率相关，并且成反比例：这意味着如果输入市电频率很低，线性电源的变压器和电容就要做得很大才能满足要求。由于国家当前使用的标准电为频率是50Hz的220V交流电，这个频率相对比较低，导致变压器以及电容的个头往往都变得比较大。另外，线性电源变压器和电容的体积还和市电浪涌有关，浪涌越大，体积越大。线性电源的输入采用能量损耗很大的工频变压器，导致相当多的能量被浪费；稳压调整模块工作在放大区，工作过程中会产生大量的热量，从以上两个方面就能看出线性电源不仅效率低还会导致过热。这还只是单组输出，如果是多组电压输出，线性电源的统计会变得更加巨大。

  由于开关电源只运行在饱和与截止两个极端状态，导致它产生的热量十分小，效率也比较高(甚至能到95%以上)且不需要大体积的变压器（其本身就含有相当的逆变器）。虽然开关电源的直流输出上面可能会有产生较大的纹波干扰和尖峰脉冲干扰的缺陷，只要在输出端并接稳压二极管以及在电路中串连磁珠加就可以改良输出环境。智能手机充电器对于电源效率和体积有着较高的要求，因而只能抛弃线性电源采用开关电源达到小巧轻便、快速安全的要求。开关电源又被称作DC-DC转化器，可以在电路中起到很好的隔离作用，增加整个系统的稳定性。   

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