诺基亚USB手机充电器AC-8c

1

诺基亚USB手机充电器AC-8C

中山市技师学院 葛中海

如图3-13所示为赛尔康技术（深圳）有限公司为诺基亚制造USB手机充电器AC-8C。产品

规格：输入AC100～240V，50Hz-60Hz&150mA；输出5V@600mA。

图3-13 诺基亚USB手机充电器AC-8C

如图3-14所示为诺基亚USB手机充电器AC-8C电路原理图。由于充电器的输出功率较小、

体积小，所以没有设置共模干扰抑制电路。市电经保险

R

1

（也叫熔断电阻，兼具电阻和保险丝

的双重功能）输入，D

5

～D

8

桥式整流、

C

1

、

L

1

与

C

2

组成



型滤波电路；滤波后的电压经变压

器M

1

初级绕组加到开关管T

2

（13003G）的集电极。

L

2

是磁阻，抑制差模干扰。

1．工作原理

CH

1

档位

直流电压平均值

2

振荡，但断电后不能重新启动，故

R

2

和

R

3

称启动电阻。

近似于锯齿波

整流滤波电压

基准电平

图3-14 诺基亚USB手机充电器AC-8C电路原理图

图3-15 AC110V输入整流滤波电压波形

满载时，AC110V输入整流滤波后的直流平均电压约为160V，如图3-15所示。若是AC220V

输入，则整流滤波后的直流平均电压为AC110V输入的2倍。

初始上电时，电阻

R

2

和

R

3

给T

2

提供启动电流，一旦启动工作，断开

R

2

和

R

3

系统仍能自激

T

2

导通时，集电极电流

i

C

由零开始上升，主绕组（1-4）电感励磁储能，感应电压“上正下

3

负”。根据变压器同名端可知，辅助绕组（2-3）感应正极性电压，经阻容振荡电路（

R

9

、

C

3

）

加到T

2

基极、加速其导通饱和；次级侧，二极管D

51

截止。T

2

截止时，变压器绕组极性反转，

辅助绕组形成使T

2

基极电流减小的正反馈、加速其截止，

C

3

放电以准备进入下一个振荡周期；

次级侧，二极管D

51

导通，变压器次级释放能量供给负载。

在图3-14中，

C

3

充电时间设定了T

2

导通的最大脉冲宽度。实际上，在开关电源中，所谓

开关管的饱和并非指手册上规定的集电极饱和电流，而是电容充电临近结束时，使加到开关管基

极的正反馈电流减小，开关管达到

i

B



<

i

C

的状态。也就是说，这种饱和是

i

B

限制下的饱和，使

开关管的

i

C

减小，通过正反馈转入截止状态。

辅助绕组电压“上负下正”时，由D

2

、

C

5

整流滤波给光耦中的光电晶体管提供电源；当光

耦中的光电二极管发光增强，光电晶体管导通电流增大，经电阻

R

11

加到脉宽调制管T

1

的基极，

分流开关管T

2

的基极电流，促使其提前导通，占空比减小，输出电压降低。

次级侧，二极管D

51

整流、

C

51

滤波的电压一路经

R

51

给光耦（IC

51

）中的光电二极管供电；

二路经稳压二极管D

83

、D

84

与并联电阻

R

53

//R

57

//R

58

返回；三路经

R

50

、

C

52

输出供给手机或

充电宝充电。充电电流的路径：二极管D

51

→

R

50

→负载→GND

2

→

R

53

//R

57

//R

58

→GND

1

（返回

次级）。

2．稳压输出

一般来说，刚充电时电流较大，并联电阻

R

53

//R

57

//R

58

的压降较大，经电阻

R

61

使T

51

导通。

此时，光耦中的光电二极管受T

51

控制，发光最强。因此，光耦中的光电晶体管发射极输出电压

最高，反馈控制作用也最强。此时，次级整流输出电压，即电容

C

51

两端电压最高，等于稳压二

极管D

83

、D

84

两端的电压与

R

53

//R

57

//R

58

的压降之和。图3-14所示原理图标注的几个电压数

值就是这种工作状态下测得的，可见充电电流可达690mA（=69mV/

R

50

=69mV/0.1Ω）。

电池充电后期所需电流减小，并联电阻

R

53

//R

57

//R

58

的压降减小，可能不足以使T

51

导通，

此时，次级整流输出电压，即电容

C

51

两端电压最高随充电电流而变化，仍然等于稳压二极管

D

83

、D

84

两端的电压与

R

53

//R

57

//R

58

的压降之和。

无论负载状况如何，稳压二极管D

83

、D

84

两端的电压均由D

82

（TL431）决定。根据TL431

的工作原理，该电压为



R

106



V

D83或D84

=2.5







1

R





=5V

109



4

R

108

虽与

R

109

并联（

R

53

//R

57

//R

58

太小），但阻值太大，可忽略不计（去掉该元件对工作

无影响）。

R

110

与

C

101

串联后并联于TL431的R和K之间，用于频率补偿。

由于手机电池及充电宝都不是恒压负载，当其电压低时（比如，电用完时为3.7V）充电电

流大，电压高时（比如，即将充满时为4.2V），充电电流小。因此，在稳压输出电路中串联一只

阻值很小的电阻

R

50

。大电流时压降大，电池内部充电管理电路模块两端的电压低，有利于减小

其功耗；电池电压升高后小电流充电，此时

R

50

压降小，有利于对电池充电。

3．过流保护

R

12

是过流检测电阻，是一个非常关键的元件，它两端电压与开关管T

2

发射极电流成正比。

当

R

12

两端电压超过T

1

发射极死区电压时，T

1

开始导通、分流T

2

基极电流。比如，若由于某种

原因导致反馈失效，开关管T

2

导通时间过长、电流过大。T

2

的发射极输出电流约300mA时在

R

12

上的压降约为0.66V（=300mA



2.2Ω），该电压经

R

10

与

C

6

低通滤波使T

1

导通，分流开关管T

2

的基极电流，抑制开关管T

2

输出电流进一步增大。

4．温度补偿

由前述原理分析可知，T

51

在大电流充电时起控。可以想象，大电流充电时变压器、开关管

T

2

和整流二极管D

51

都会发出较多热量，若环境温度也高，热量不易散失，则密封塑料壳中的充

电器所有元器件都要受到温升的影响，其中，影响最为严重的元件是处于放大状态的晶体管T

51

。

晶体管发射结具有负温度特性，温度升高发射结特性曲线左移；同样的基极电流55℃时的

发射结压降

V

BE1

小于25℃时的发射结压降

V

BE2

，如图3-16所示。因此，就会出现这样的工作情

形：开始大充电时并联电阻

R

53

//R

57

//R

58

的压降较高，经电阻

R

61

使T

51

导通。充电一段时间以

后，充电器内部温度升高，由于晶体管发射结的负温度特性，并联电阻

R

53

//R

57

//R

58

的压降降

低。若在T

51

发射结并联负温度系数的电阻，可以弥补这种缺陷。

5

图3-16 晶体管发射结特性曲线的温度特性

原理图中NTC

51

是负温度系数的电阻，常温下约1.75kΩ，与固定电阻

R

60

串联，构成T

51

基

R

61

极电流的分流支路。当温度升高时T

51

发射结电压降低，NTC

51

的阻值减小，分流更多的电流，

压降增大，

R

53

//R

57

//R

58

的压降基本不变，保持充电电流不因温升而减小。

笔者做了2个实验印证：第一个实验是用电烙铁烫T

51

，由于晶体管发射结的负温度特性，

其

V

BE

减小，

R

53

//R

57

//R

58

的压降随之降低，可见T

51

温升导致充电电流减小。第二个实验是用

电烙铁烫NTC

51

，由于T

51

发射结压降基本不变，温升导致NTC

51

阻值减小、所在支路分流增大，

R

61

的压降增大，所以，

R

53

//R

57

//R

58

的压降升高，可见NTC

51

温升导致充电电流增大。若T

51

、

NTC

51

温度同升同降，负温度特性作用正好能相互抵消，则充电电流可以不随温度而变化。

另外，简单说明一下其它元件的作用。稳压二极管D

83

、D

83

并联于输出端，若TL431失控

输出电压过高，D

83

、D

83

击穿，稳定输出电压，以免损坏电池。并联于T

51

发射结、集电结的电

容

C

55

、

C

57

容量较小。可以认为

R

61

与

C

55

组成低通滤波电路，

C

57

跨接于相位反的两信号之间，

相用与频率。

R

63

与

C

53

串联后，并联于T

51

发射结两端，作用不太明显。

R

4

、

C

4

与D

1

构成RCD

吸收电路，但因D

1

串联电阻

R

7

，使得在开关管T

2

关断瞬间的尖峰吸收效果大打折扣。

5．波形测试

（1）开关管T

2

基极和集电极电压波形

用数字存储示波器测量开关管T

2

基极和集电极电压波形，如图3-17（a）所示。

6

CH

2

振幅约占8格，指示

T

2

集电极脉冲电压幅度：

5div



50V/div=250V

CH

1

振幅约占1.5格，指

示T

2

基极脉冲电压幅度：

1.5div



2.0V/div=3.0V

（a）满载，开关频率较低

用数字存储示波器测量开关管T

2

基极和集电极电压波形，如图3-17（a）所示。

CH

2

振幅约占8格，指示

T

2

集电极脉冲电压幅度：

5div



50V/div=250V

CH

1

振幅约占1.5格，指

示T

2

基极脉冲电压幅度：

1.5div



2.0V/div=3.0V

（b）轻载，开关频率较高

图3-17 T

2

基极（CH

1

）和集电极（CH

2

）电压波形

由图3-17可见，开关管T

2

的基极、集电极均为高频脉冲电压，在导通时间上为同步关系，

在控制关系上二者反相。需要指出的是，无论脉冲上升沿或下降沿均不如它激式开关电源陡峭

（参见第4章），这是自激式开关电源的特点。

在图3-17中，T

2

导通期间（

t

ON

）集电极电压为零；T

2

截止期间（

t

OFF

），集电极电压（不

计截止瞬间的尖峰脉冲）接近250V。该电压是输入电源整流滤波直流电压与主绕组自感电压之

和，因为这期间主绕组感应电压“下正上负”，所以叠加电压远高于输入电源整流滤波电压。

阅读资料

工程实践中，刚刚接触开关电源的新手往往会犯一个共同的致命错误：拿测试普通电路的

方法测开关电源！

如图3-18（a）所示为示波器直接测试是开关电源高压侧的原理简图。由于示波器“保护

7

地（G）”与探头地（信号地）在仪器内部直接相连（同时也接机壳），当探头地（信号地）连接

到开关电源的“热地”时，一旦接通电源，开关电源的保险管就会立即烧毁。这是因为火线（L）

经保险管、整流二极管和探头地（信号地）连接到“保护地”上，而“保护地”和零线（N）通

过大地是连在一起的，即电网的火线（L）与零线（N）经过保险管、二极管构成回路，故一定

会烧毁保险管（火线和零线对调一样会出现该故障）。

如图3-18（b），市电电网经变比为1:1的隔离变压器输出交流电，次级绕组两端没有火线

（L）与零线（N）之分，只有电压的相对高低。当探头地连接到开关电源的“热地”时，次级

绕组两端均通过相应的整流二极管、探头地连接到“保护地”上，但隔离变压器的初次级绕组均

不会被短路，开关电源可以安全工作。

当然，如果工作现场没有隔离变压器，可以考虑把示波器中间的“保护地（G）”与插座

的接地线断开。不过，当示波器探头地（信号地）连接到开关电源的“热地”时，示波器外壳与

市电只隔了一只二极管，所以对人体是危险的。另外，由于示波器“保护地（G）”断开，其内

部开关电源产生的共模干扰无泄放通路，可能会起影引起仪器的稳定性和测量精度。

8

（a）不经隔离变压器测试，错误 （b）经隔离变压器测试，正确

图3-18 示波器测试开关电源的方法

（2）开关管T

2

基极和发射极电压波形

用数字存储示波器测量开关管T

2

基极和发射极电压波形，如图3-19所示。

CH

2

振幅约占2格，指示

T

2

集电极脉冲电压幅度：

2div



200mV/div=0.4V

CH

1

振幅约占3格，指

示T

2

基极脉冲电压幅度：

3div



1.0V/div=3.0V

图3-19 T

2

基极（CH

1

）和发射极（CH

2

）电压波形

开关管T

2

发射极电压是

i

E

在

R

12

上的压降，因

i

E

只能从发射极经

i

E

流到地，由图3-19可

见，发射极电压只能大于或等于零。根据测试的电压峰值约400mV，可以计算出发射极电流峰

值约约为182mA（=

V

R12

/R

12

=400mV/2.2Ω）。

根据图3-19所示波形还可以计算出开关电源的占空比，方法如下：启用数字存储示波器的

“CURSOR”复合按钮功能，测量出开关管T

2

的导通时间

t

ON

约为6.8us。由于图3-19所示开关

管T

2

的开关频率

f

≈47.1Hz，则

T

因此，占空比为

11



≈21.2（μs）

f47.1

D

t

ON

6.8

≈32.1%



T21.2

（3）辅助绕组和开关管T

2

基极电压波形

用数字存储示波器测量开关管T

2

基极和辅助绕组的电压波形，如图3-20所示。