手機(jī)充電器電路圖原理分析 手機(jī)充電器電路安全試驗(yàn)方法 KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2018-04-25
一、簡單原理分析
分析一個電源,往往從輸入開始著手。220V交流輸入,一端經(jīng)過一個4007半波整流,另一端經(jīng)過一個10歐的電阻后,由10uF電容濾波。這個10歐的電阻用來做保護(hù)的,如果后面出現(xiàn)故障等導(dǎo)致過流,那么這個電阻將被燒斷,從而避免引起更大的故障。右邊的4007、4700pF電容、82KΩ電阻,構(gòu)成一個高壓吸收電路,當(dāng)開關(guān)管13003關(guān)斷時,負(fù)責(zé)吸收線圈上的感應(yīng)電壓,從而防止高壓加到開關(guān)管13003上而導(dǎo)致?lián)舸?3003為開關(guān)管(完整的名應(yīng)該是MJE13003),耐壓400V,集電極最大電流1.5A,最大集電極功耗為14W,用來控制原邊繞組與電源之間的通、斷。當(dāng)原邊繞組不停的通斷時,就會在開關(guān)變壓器中形成變化的磁場,從而在次級繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于圖中沒有標(biāo)明繞組的同名端,只能推斷輸出段沒有續(xù)流管和儲能電感推斷出為反激電路。
左端的510KΩ為啟動電阻,給開關(guān)管提供啟動用的基極電流。13003下方的10Ω電阻為電流取樣電阻,電流經(jīng)取樣后變成電壓(其值為10*I),這電壓經(jīng)二極管4148后,加至三極管C945的基極上。當(dāng)取樣電壓大約大于1.4V,即開關(guān)管電流大于0.14A時,三極管C945導(dǎo)通,從而將開關(guān)管13003的基極電壓拉低,從而集電極電流減小,這樣就限制了開關(guān)的電流,防止電流過大而燒毀(其實(shí)這是一個恒流結(jié)構(gòu),將開關(guān)管的最大電流限制在140mA左右)。
變壓器左下方的繞組(取樣繞組)的感應(yīng)電壓經(jīng)整流二極管4148整流,22uF電容濾波后形成取樣電壓。為了分析方便,我們?nèi)∪龢O管C945發(fā)射極一端為地。那么這取樣電壓就是負(fù)的(-4V左右),并且輸出電壓越高時,采樣電壓越負(fù)。取樣電壓經(jīng)過6.2V穩(wěn)壓二極管后,加至開關(guān)管13003的基極。前面說了,當(dāng)輸出電壓越高時,那么取樣電壓就越負(fù),當(dāng)負(fù)到一定程度后,6.2V穩(wěn)壓二極管被擊穿,從而將開關(guān)13003的基極電位拉低,這將導(dǎo)致開關(guān)管斷開或者推遲開關(guān)的導(dǎo)通,從而控制了能量輸入到變壓器中,也就控制了輸出電壓的升高,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出的功能。
而下方的1KΩ電阻跟串聯(lián)的2700pF電容,則是正反饋支路,從取樣繞組中取出感應(yīng)電壓,加到開關(guān)管的基極上,以維持振蕩。右邊的次級繞組就沒有太多好說的了,經(jīng)二極管RF93整流,220uF電容濾波后輸出6V的電壓。沒找到二極管RF93的資料,估計(jì)是一個快速回復(fù)管,例如肖特基二極管等,因?yàn)殚_關(guān)電源的工作頻率較高,所以需要工作頻率的二極管。這里可以用常見的1N5816、1N5817等肖特基二極管代替。
同樣因?yàn)轭l率高的原因,變壓器也必須使用高頻開關(guān)變壓器,鐵心一般為高頻鐵氧體磁芯,具有高的電阻率,以減小渦流。
市場上的電池充電器形色各異,有的使用電源線,有的不使用。直接插入式充電器不使用電源線,電源插頭和充電器外殼構(gòu)成一完整部件,其重量靠墻上插座來承載,市場上常見的“坐充”就是這類充電器。使用電源線的充電器,與電源連接的方式又分兩種:可拆卸的和不可拆卸的。可拆卸的電源軟線利用適當(dāng)?shù)碾娖鬟B接器與充電器連接以供電,不可拆卸的電源軟線固定在充電器上或與充電器裝配在一起來供電。
市場中有的產(chǎn)品稱為充電器,但實(shí)際上是適配器,我們有必要區(qū)分這兩種功能。適配器主要是把交流市電轉(zhuǎn)換成直流電,根據(jù)電池的規(guī)格提供相應(yīng)的電壓電流,一般采用恒壓恒流方式,能夠隔離主電壓和危險(xiǎn)電壓,對市電波動有一定耐受力,需要時可安全關(guān)斷。而充電器的主要功能是把充電電流限制在一個安全水平上,主要采用恒流方式,能檢測充電的完成,根據(jù)某種算法終止充電以延長電池壽命,若發(fā)現(xiàn)電池異??山K止充電。這兩種功能可分別實(shí)現(xiàn),也可組合在一個物理實(shí)體中。GSM手機(jī)通常包含充電功能,與手機(jī)配套的只需適配器,而CDMA手機(jī)往往不包含充電功能,這樣減少了手機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和工作狀態(tài)時產(chǎn)生的熱量。理解這些概念有助于更有針對性地使用該標(biāo)準(zhǔn)。
充電器的額定輸入電壓為交流220 V,頻率為50 Hz,為了保證安全性,充電器應(yīng)能承受市電一定范圍內(nèi)的波動,標(biāo)準(zhǔn)中要求的電壓波動范圍是其額定值的85 %~110 %,頻率的波動范圍是±2 Hz。
(1)電源線組件應(yīng)符合GB2099的要求;
(2)電源線組件的額定值應(yīng)大于充電器電源要求的額定值;
(3)電源軟線的導(dǎo)線截面積應(yīng)不小于0.75mm2;
(4)電源線組件中的電源軟線應(yīng)符合下列要求:
*如果電源軟線是橡皮絕緣,則應(yīng)是合成橡膠,應(yīng)符合GB5013對通用橡膠護(hù)套軟電纜的要求; *如果電源軟線是聚氯乙烯絕緣的,應(yīng)符合GB5023對輕型聚氯乙烯護(hù)套軟線的要求。
安全隔離變壓器在構(gòu)造上應(yīng)保證在出現(xiàn)單一絕緣故障和由此引起的其他故障時,不會使安全特低電壓繞組上出現(xiàn)危險(xiǎn)電壓。隔離變壓器應(yīng)按照GB4943中附錄C的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。
4.1 一般要求
廠家應(yīng)向用戶提供足夠的資料,以確保用戶在按廠家的規(guī)定使用時,不會引起本標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的危險(xiǎn)。應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)簡體中文書寫。標(biāo)記應(yīng)是耐久和醒目的,能承受標(biāo)記耐久性試驗(yàn)。首先用一塊蘸有水的棉布擦拭15s,然后再用一塊蘸有汽油的棉布擦拭15s,標(biāo)牌應(yīng)清晰,不應(yīng)輕易被揭掉,不應(yīng)出現(xiàn)卷邊。
4.2 說明書
廠家應(yīng)提供必要的使用說明書,對充電器在操作、維修、運(yùn)輸或儲存時有可能引起危險(xiǎn)的情況提醒用戶特別注意。
5.1 穩(wěn)定性
直接插在墻壁插座上、靠插腳來承載其重量的充電器,不應(yīng)使墻壁插座承受過大的應(yīng)力。可通過插座應(yīng)力試驗(yàn)檢驗(yàn)其是否合格。充電器應(yīng)按正常使用情況,插入到一個已固定好的沒有接地接觸件的插座上,該插座可以圍繞位于插座嚙合面后面8mm的距離處,與管件接觸件中心線相交的水平軸線轉(zhuǎn)動。為保持嚙合面垂直而必須加到插座上的附加力矩不應(yīng)超過0.25Nm。
5.2 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)
電池極性接反以及強(qiáng)制充電或放電可能導(dǎo)致危險(xiǎn),所以在設(shè)計(jì)上應(yīng)有防止極性接反以及防止強(qiáng)制充放電的措施。將起保護(hù)作用的任何元件一次一個地短路或開路,并強(qiáng)迫充放電各2小時,充電器應(yīng)不起火、不爆炸。
5.3 防觸及性(電擊及能量危險(xiǎn))
充電器正常使用時應(yīng)具有防觸及性,防止電擊及能量危險(xiǎn)。
如果特低電壓電路的外部配線的絕緣是操作人員可觸及的,則該配線應(yīng):
*不會受到損壞或承受應(yīng)力; *不需要操作人員接觸。 2.5.4 連接布線
(1)對使用不可拆卸的電源軟線的充電器應(yīng)裝有緊固裝置:
*導(dǎo)線在連接點(diǎn)不承受應(yīng)力;
*導(dǎo)線的外套不受磨損;
*電源軟線應(yīng)能承受拉力試驗(yàn),電源軟線應(yīng)承受30N的穩(wěn)定拉力25次,拉力沿最不利的方向施加,每次施加時間為1s,電源軟線應(yīng)不被拉斷;
*電源軟線緊固裝置應(yīng)由絕緣材料制成,或由具有符合附加絕緣要求的絕緣材料的襯套制成。
(2)電源軟線入口開孔處應(yīng)裝有軟線入口護(hù)套,或者軟線入口或襯套應(yīng)具有光滑圓形的喇叭口,喇叭口的曲率半徑至少等于所連接最大截面積的軟線外徑的1.5倍。
軟線入口護(hù)套應(yīng):
*設(shè)計(jì)成防止軟線在進(jìn)入充電器入口處過分彎曲; *用絕緣材料制成;
*采用可靠的方法固定;
*伸出充電器外超過入口開孔的距離至少為該軟線外徑的5倍,或者對扁平軟線,至少為該軟線截面長邊尺寸的5倍。
當(dāng)用戶碰觸到電池外殼時,其溫度不應(yīng)造成用戶的突然反應(yīng)使他受傷,人對溫度的反應(yīng)不僅是度數(shù)的高低,還取決于外殼材料的傳導(dǎo)特性和熱容量,60℃的金屬外殼比70℃的塑料外殼感覺要燙,UL和IEC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對非金屬外殼溫升的規(guī)定不超過50℃,而手機(jī)電池的外殼絕大部分是非金屬材料,因此本標(biāo)準(zhǔn)借鑒了該規(guī)定,要求如下:充電器額定工作2小時后,測量其外殼表面溫度變化小于1℃/h即認(rèn)為溫度穩(wěn)定,此時測量其外殼表面溫升應(yīng)小于50℃。
充電器應(yīng)有短路的自動保護(hù)功能。將充電器輸出短路,充電器應(yīng)能自動保護(hù),故障排除后應(yīng)能自動恢復(fù)工作。
在常溫條件下,用絕緣電阻測試儀直流500 V電壓,對充電器主回路的一次電路對外殼、二次電路對外殼及一次電路對二次電路進(jìn)行測試,充電器的絕緣電阻應(yīng)不低于2 MΩ。
用耐壓測試儀對充電器進(jìn)行絕緣強(qiáng)度試驗(yàn),且充電器必須是在進(jìn)行完絕緣電阻試驗(yàn)并符合要求后才能進(jìn)行絕緣強(qiáng)度的試驗(yàn)。
一次電路對外殼、一次電路對二次電路應(yīng)能承受50 Hz、有效值為1500 V的交流電壓(漏電流≤10 mA),二次電路對外殼應(yīng)能承受50 Hz、有效值為500 V的交流電壓(漏電流≤10 mA),應(yīng)無擊穿與無飛弧現(xiàn)象。試驗(yàn)電壓應(yīng)從小于一半規(guī)定電壓值處逐步升高,達(dá)到規(guī)定電壓值時持續(xù)1 min。
充電器的設(shè)計(jì)應(yīng)能盡可能限制因機(jī)械、電氣過載或故障、異常工作或使用不當(dāng)而造成起火或電擊危險(xiǎn)。變壓器過載試驗(yàn)按照GB4943中附錄C1的要求進(jìn)行??赡M下列故障條件:
*一次電路中任何元器件的失效;
*二次電路中任何元器件的失效。
充電器外殼和印制板及元器件所用的材料應(yīng)能使引燃危險(xiǎn)和火焰蔓延減小到最低限度,為V-2級或更優(yōu)等級。在進(jìn)行耐熱及防火試驗(yàn)時,V-0級材料可以燃燒或灼熱,但其持續(xù)時間平均不超過5s,在燃燒時所釋放的灼熱微粒或燃燒滴落物不會使脫脂棉引燃。V-1級材料可以燃燒或灼熱,但其持續(xù)時間平均不超過25s,在燃燒時所釋放的灼熱微?;蛉紵温湮锊粫姑撝抟?。V-2級材料可以燃燒或灼熱,但其持續(xù)時間平均不超過25s,在燃燒時所釋放的灼熱微?;蛉紵温湮飼姑撝抟肌_M(jìn)行本試驗(yàn)時可能會冒出有毒的煙霧,在適用的情況下,試驗(yàn)可以在通風(fēng)柜中進(jìn)行,或者在通風(fēng)良好的房間內(nèi)進(jìn)行,但是不能出現(xiàn)可能使試驗(yàn)結(jié)果無效的氣流。
試驗(yàn)火焰應(yīng)利用本生燈獲得,本生燈燈管內(nèi)徑為9.5mm±0.5mm,燈管長度從空氣主進(jìn)口處向上約為100mm。本生燈要使用熱值約為37MJ/m3的燃?xì)狻?yīng)調(diào)節(jié)本生燈的火焰,使本生燈處于垂直位置,同時空氣進(jìn)氣口關(guān)閉時,火焰的總高度約為20mm?;鹧骓敹藨?yīng)與樣品接觸,燒30s,然后移動火焰停燒60s,再在同一部位燒30s。
在試驗(yàn)期間,當(dāng)試驗(yàn)火焰第二次撤離后,樣品延續(xù)燃燒不應(yīng)超過1min,且樣品不應(yīng)完全燒盡。
充電器從1m高度處自由跌落到硬木表面3次,其表面應(yīng)無裂痕等損壞。
試驗(yàn)方法按GB/T 2423.9 – 2001 中“試驗(yàn) Cb” 的要求進(jìn)行。產(chǎn)品無包裝,試驗(yàn)嚴(yán)酷等級為:溫度 40 ℃±2 ℃,相對濕度(93±3)%RH,試驗(yàn)持續(xù)時間為2 d。試驗(yàn)后應(yīng)符合4.7.2的要求。
1、一般要求
本標(biāo)準(zhǔn)對電池的電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一些建議,希望生產(chǎn)廠家在電池的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)能充分考慮到電池的安全性。
1.1 絕緣與配線
常見的電池外殼都是非金屬的,但有的電池也采用金屬外殼,后種情況下電池的電極終端與電池的金屬外殼之間的絕緣電阻在500V直流電壓下測量應(yīng)大于5M&O1527;,除非電池的電極終端與電池的金屬外殼有連通。
手機(jī)電池并非電池芯的簡單組合,電池芯之外還有保護(hù)電路和控制電路,其內(nèi)部配線及絕緣應(yīng)充分滿足預(yù)計(jì)的最大電流、電壓和溫度的要求,配線的排布應(yīng)保證端子之間有足夠的間隙和絕緣穿透距離,內(nèi)部連接的整體性能應(yīng)充分滿足可能發(fā)生誤操作時的安全要求。
1.2 泄放
泄放的含義即電池或電池芯內(nèi)部的過高壓力在安全閥處釋放以防止其破裂或爆炸。標(biāo)準(zhǔn)要求電池或電池芯在內(nèi)部壓力過高達(dá)到一定限值時能以一定的速率將壓力泄放以防止電池的破裂、爆炸和自燃。如果電池的電池芯被封裝在外殼內(nèi),則該封裝的形式和封裝的方法在正常操作過程中不應(yīng)引起電池過熱,也不應(yīng)約束內(nèi)部壓力的泄放。
1.3 溫度/電流管理
電池充電過程中,電池和充電器內(nèi)部的電路都會產(chǎn)生熱量,若散熱不佳導(dǎo)致熱量聚集會影響電池正常的化學(xué)反應(yīng)過程,造成電池的熱失效,因此,電池的設(shè)計(jì)應(yīng)能防止電池溫度的異常上升。必要時,電池的充電和放電應(yīng)設(shè)定安全限流,防止電流過大而產(chǎn)生過多熱量。
1.4 終端連接
電池外殼應(yīng)清晰地標(biāo)明終端的極性。終端的尺寸大小和形狀應(yīng)能確保承載預(yù)計(jì)的最大電流。外部終端表面應(yīng)采用機(jī)械性能良好并耐腐蝕的導(dǎo)電材料。終端應(yīng)設(shè)計(jì)成最不可能發(fā)生短路的樣式。
1.5 電池芯裝配成電池
電池芯與所裝配電池的容量應(yīng)緊密匹配,裝配在同一電池里的電池芯應(yīng)結(jié)構(gòu)相同,化學(xué)成分相同,并且是同一廠家生產(chǎn)的。不同廠家生產(chǎn)的電池芯在電解液和電極材料等方面均會有所差異,如此規(guī)定的目的是為了保證裝配在同一電池中電池芯的一致性,防止落后電池芯造成整個電池技術(shù)指標(biāo)和安全性能的下降。
考慮到試驗(yàn)的一致性及各電池試驗(yàn)結(jié)果具有可比性,試驗(yàn)所用電池芯或電池的生產(chǎn)日期應(yīng)在3個月以內(nèi),但并不表示電池3個月后安全性能會下降。常態(tài)試驗(yàn)在20℃±5℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行。
2.1 連續(xù)低倍率充電
完全充電的電池芯以額定的低倍率電流0.01C5 A持續(xù)充電28天后,應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液。
2.2 振動
用完全充電的電池芯或電池進(jìn)行X、Y、Z三個方向的振動試驗(yàn),振動源單振幅0.76mm (雙振幅1.52mm), 頻率變化率1Hz/min, 頻率范圍10Hz到55Hz,往返振動90 min±5min后,電池應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液。
2.3 高溫性能
完全充電的電池置于70℃±2℃恒溫箱中,保持7小時,然后取出置于室溫條件下,檢查其外觀,其外殼應(yīng)無變形或其變形不會導(dǎo)致電池內(nèi)部元件暴露出來。
2.4 溫度循環(huán)
完全充電的電池或電池芯置于可強(qiáng)制調(diào)溫的恒溫箱中,按下列程序做 -20℃ 到 +75℃ 的溫度循環(huán):
(1)30min內(nèi)使恒溫箱的溫度升到75℃±2℃,并在此溫度下保持4h;
(2)30min內(nèi)使恒溫箱的溫度降到20℃±5℃,并在此溫度下保持2h;
(3)30min內(nèi)使恒溫箱的溫度降到 -20℃±2℃,并在此溫度下保持4h;
(4)30min內(nèi)使恒溫箱的溫度升到20℃±5℃,并在此溫度下保持2h;
(5)再重復(fù)1-4的步驟做4個循環(huán);
(6)第5次循環(huán)完成后,電池保存2h再作檢查,應(yīng)符合相關(guān)要求。
該試驗(yàn)可以在一個可強(qiáng)制調(diào)溫的恒溫箱中進(jìn)行,也可以在3個不同溫度的恒溫箱之間進(jìn)行。試驗(yàn)后,電池芯或電池應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液。
2.5 低壓性能
完全充電的電池芯置于溫度為20℃±5℃ 的真空干燥箱中,抽真空使氣壓小于11.6kpa后保持6小時后,應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液。
3.1 外部短路
完全充電的電池或電池芯分別在20℃±5℃和55℃±5℃的環(huán)境中放置 2h。然后,用連線短接每個電池芯或電池的正負(fù)極終端并確保全部外部電阻小于100mΩ。短接后,保持24h,到電池芯或電池外殼的溫度下降到電池芯或電池原始溫度+電池芯或電池短路后的最大溫升×20%。試驗(yàn)后,電池或電池芯應(yīng)不起火、不爆炸。
3.2 自由跌落
完全充電的電池芯或電池以任意方式從1米高處自由跌落到水泥地面3次后,應(yīng)不起火、不爆炸。
3.3 機(jī)械碰撞
在20℃±5℃環(huán)境中,完全充電的電池承受X、Y、Z三個方向的碰撞。如果電池只有兩個對稱軸,只作兩個方向的碰撞。在最初3ms內(nèi)的平均加速度應(yīng)≥75gn,最高加速度應(yīng)在125gn 和 175gn之間。碰撞1000次±10次后,電池應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液。
3.4 熱沖擊
完全充電的電池芯,置于一個烘箱中加熱。烘箱的溫度以(5±2)℃/min的速率上升至130℃±2℃,保持10min,電池芯應(yīng)不起火、不爆炸。
3.5 耐擠壓性能
完全充電的電池芯置于兩平行平板間,施加擠壓力為13kN±1kN,一旦達(dá)到最大壓力或壓力突然下降1/3,即可卸壓。對圓形或方形電池芯進(jìn)行擠壓試驗(yàn)時,要使電池芯的縱軸與擠壓設(shè)備扁平表面保持平行。方形電池芯要沿其縱軸旋轉(zhuǎn)90°,以便電池芯的寬邊和窄邊都能受到擠壓的作用,外殼為鋁塑復(fù)合膜的電池芯只做寬面的擠壓。試驗(yàn)后,電池芯應(yīng)不起火、不爆炸。
3.6 沖擊
完全充電的電池芯置于一個扁平表面上,將一個半徑為8mm、質(zhì)量為10kg的棒垂直置于樣品中心的正上方,從600mm 高度處落下作用到樣品上。圓柱形或方形電池芯在接受沖擊試驗(yàn)時,其縱軸要平行于扁平表面,垂直于棒的縱軸。方形電池芯要沿其縱軸旋轉(zhuǎn)90°,以便電池芯的寬邊和窄邊都能受到?jīng)_擊作用。外殼為鋁塑復(fù)合膜的電池芯只做寬面的沖擊試驗(yàn)。每只樣品只能接受一次沖擊試驗(yàn),每次試驗(yàn)只能使用一只樣品。試驗(yàn)后,電池芯應(yīng)不起火、不爆炸。
3.7 過充性能
完全放電的電池芯,以≥10V的電壓、0.2C5A的電流充電12.5h后,應(yīng)不起火、不爆炸。
3.8 強(qiáng)制放電性能
完全放電的電池芯承受1C5A電流強(qiáng)制放電90min后,應(yīng)不起火、不爆炸。
外部短路試驗(yàn)、自由跌落試驗(yàn)、熱沖擊試驗(yàn)、耐擠壓性能試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、過充性能試驗(yàn)、強(qiáng)制放電性能試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn),電池或電池芯的外殼均可能發(fā)生變化,漏液很難避免,但尚未影響安全性,因此標(biāo)準(zhǔn)中對這些試驗(yàn)沒有要求不漏液。
4、安全標(biāo)識
安全標(biāo)識的作用應(yīng)引起足夠的重視,電池本身應(yīng)具有安全警示,并且附加適當(dāng)?shù)木媛暶鳎铏z查確認(rèn)標(biāo)識的一致性。另外,電池的說明書中應(yīng)寫清合適的使用指導(dǎo)和推薦的充電方法等。
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