利用手機電池充電無線耳機電路設計及效率分析

全文

(1)國立臺灣師範大學機電科技學系碩士論文指導教授：陳美勇博士利用手機電池充電無線耳機電路設計及效率分析 Circuit Design and Efficiency Analysis for Wireless Headset Charging Using Mobile Phone Battery. 研究生：黃科明中. 華. 民. 國. 一. ○. 撰一. 年. 七. 月.

(2) 摘要本研究提出一種利用手機之電源來對無線耳機作充電的系統研究。本研究設計之裝置將無線耳機直接整合手機外殼上，並設計一個無線耳機之充電電路及無線耳機機構設計，可讓無線耳機直接使用手機電池進行充電。再者目前一般市面上的充電器效率都在 50%左右，本研究嘗試在效率上作出較佳化的電源轉換程序，根據實驗結果證實本研究所設計使用充電式升壓的電源管理電路，可將電源轉換效率提升至 65.7%以上，確實達到本研究預期之效果，並有效節省能源的損耗。關鍵詞: 無線耳機、直流電源轉換器、穩壓器、鋰離子電池。. i.

(3) Abstract This study proposes a systematic research of charging from cell phone's battery power to wireless headset and an innovative design of this charging module. This module included a charging circuit and a holder for wireless headset so that the wireless headset can be attached to the cell phone during the charging process or when it is not in use. In addition, the average efficiency of most currently available chargers is lower than 50 %. The design of the new charging circuit in this study aimed to improve this issue. Test results show that this design of a power management circuit using cell phone battery can raise the power transfer rate to be more than 65.7% and conclude that this is a more power-saving method.. Keyword: Wireless Headsets, DC Power Converter, Voltage Regulator, Lithium-ion Battery.. ii.

(4) 謝誌這篇論文的完成，首先要感謝指導教授陳美勇博士對於學生的指導及鼓勵，因為在老師細心的教導與愛護下，本論文才得以順利完成，另外也要感謝口試委員林啟萬教授、陳錫明教授及丁建均教授的細心指正下，使本論文更加完整，教授在口試時所給予的寶貴意見，使學生獲益良多並對於本論文提供了許多寶貴的意見，使我將論文琢磨得更加完整。在學生求學的這段時間裡，感謝指導教授教導了我許多待人處事的道理及學術上的指導，老師的這份教導之恩，學生銘感在心，永生難忘。另外感謝實驗室一起奮鬥的學弟們、建州、建勳、博文、可瑋、宗翰、希哲、秉剛、哲勝、東諺、昀翰，謝謝你們帶給實驗室許多歡樂，以及提供許多重要的訊息，你們是實驗室未來的希望。在感謝我的雙親，有你們在背後不斷的支持與鼓勵，讓我得以全力衝刺研究，使我克服在論文寫作期間所遇到的困難，在此特別感謝我的老婆，在我心情最低落的時刻，陪我渡過。最後要感謝的人實在太多!謹以本論文獻給所有關心我、鼓勵我的師長、好友、家人，謝謝您們!. iii.

(5) 目錄摘要..........................................................................................................................................i Abstract .................................................................................................................................. ii 誌謝....................................................................................................................................... iii 目錄....................................................................................................................................... iv 表目錄 ................................................................................................................................. vii 圖目錄 ................................................................................................................................ viii 符號說明 .............................................................................................................................. xi 第一章緒論..........................................................................................................................1 1.1 前言 ......................................................................................................... 1 1.2 直流轉換架構 .......................................................................................... 3 1.2.1 低壓降線性穩壓器 LDO 介紹 .......................................................... 3 1.2.2 電荷幫浦電路介紹 ........................................................................... 5 1.2.3 電感式交換穩壓器電路介紹 ............................................................ 6 1.3 電源管理系統 .......................................................................................... 7 1.4 研究動機與目的 ...................................................................................... 8 1.5 論文架構 ................................................................................................. 9 第二章直流轉換器介紹.................................................................................................. 10 2.1 電源轉換系統 .........................................................................................10 2.2 直流轉換器的基本類型 .........................................................................10 2.2.1 降壓型直流-直流轉換器(BUCK DC-DC Converter) .......................10 2.2.2 升壓型直流-直流轉換器(BOOST DC-DC Converter) .....................14 2.2.3 升降壓型直流-直流轉換器(BUCK-BOOST DC-DC Converter) .....18 2.2.4 邱克直流-直流轉換器(Ćuk DC-DC Converter) ...............................22 iv.

(6) 2.3 影響直流轉換器效率的主要因素 ..........................................................27 2.3.1 傳導損失 ..........................................................................................28 2.3.2 切換損失 ..........................................................................................29 2.3.3 靜態損失 ..........................................................................................29 2.4 小結 ........................................................................................................29 第三章交流轉直流充電器之分析................................................................................. 30 3.1 能源轉換效率規範 .................................................................................30 3.2 一般充電器轉換效率分析 .....................................................................31 3.3 交流電源功率因數與效率之關係 ..........................................................34 3.4 小結 ........................................................................................................36 第四章研究方法 .............................................................................................................. 37 4.1 設計概念 ................................................................................................37 4.2 無線耳機之機構概念 .............................................................................37 4.3 手機與無線耳機結合之機構概念 ......................................................38 4.4 升壓模組功能介紹 .................................................................................39 4.4.1 LTC3536 IC 架構說明 .....................................................................40 4.4.2 LTC3536 IC 轉換效率 .....................................................................43 4.5 控制無線耳機的電池充電電路設計 ......................................................45 4.5.1 MCP73833 功能說明 .......................................................................45 4.6 電池的充電方式 .....................................................................................47 4.7 電池放電曲線介紹 .................................................................................47 第五章結果與討論 .......................................................................................................... 49 5.1 實驗架設 ................................................................................................49 5.2 實驗結果 ................................................................................................49. v.

(7) 5.3 實驗對照組.............................................................................................71 5.4 實驗結果分析與討論 .............................................................................72 第六章結論與未來展望.................................................................................................. 74 6.1 結論 ........................................................................................................74 6.2 未來展望 ................................................................................................74 參考文獻 ............................................................................................................................. 76. vi.

(8) 表目錄表 1-1 各類式可攜式電子產品中電池比較表 -------------------------------------- 2 表 3-1 一般電子產品充電器效率轉換的比較表 ----------------------------------33 表 5-1 無線耳機電池(100mAH)在充電時的輸出電壓及輸入電流結果 ----50 表 5-2 無線耳機電池(100mAH)在放電時的輸出電壓及輸入電流結果 ----50 表 5-3 為無線耳機電池為 150mAH 在充電時的輸出電壓及輸入電流結果 -------------------------------------------------------------------------------------61 表 5-4 為無線耳機電池為 250mAH 在充電時的輸出電壓及輸入電流結果 -------------------------------------------------------------------------------------61 表 5-5 電源供應器提供給無線耳機電池輸出電壓及輸入電流結果 ----------71 表 5-6 三種不同電壓的手機電池效率情況 ----------------------------------------73. vii.

(9) 圖目錄圖 1-1 低壓降線性穩壓器 LDO 電路架構圖 --------------------------------------- 4 圖 1-2 電荷幫浦 IC 架構圖 ------------------------------------------------------------ 5 圖 1-3 不含切換開關的電感式交換穩壓器架構圖 -------------------------------- 7 圖 2-1 開關式電源轉換系統圖 -------------------------------------------------------10 圖 2-2 Buck DC-DC Converter 電路圖 ----------------------------------------------11 圖 2-3 Buck DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖 -------------------------------11 圖 2-4 Buck DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖 -------------------------------12 圖 2-5 Buck DC-DC Converter 理想波形圖 ----------------------------------------14 圖 2-6 Boost DC-DC Converter 電路圖 ---------------------------------------------15 圖 2-7 Boost DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖 ------------------------------15 圖 2-8 Boost DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖 ------------------------------16 圖 2-9 Boost DC-DC Converter 理想波形圖 ---------------------------------------18 圖 2-10 Buck-Boost DC-DC Converter 電路圖 ------------------------------------19 圖 2-11 Buck-Boost DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖 ---------------------19 圖 2-12 Buck-Boost DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖 ---------------------20 圖 2-13 Buck-Boost DC-DC Converter 理想波形圖 ------------------------------22 圖 2-14 Ćuk DC-DC Converter 電路圖 ----------------------------------------------23 圖 2-15 Ćuk DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖 -------------------------------23 圖 2-16 Ćuk DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖 -------------------------------24 圖 2-17 Ćuk DC-DC Converter 理想波形圖 ----------------------------------------27 圖 3-1 量測設備方塊圖 ----------------------------------------------------------------31 圖 3-2 桌上型電表圖 -------------------------------------------------------------------32 圖 3-3 可攜式萬用電表圖 -------------------------------------------------------------32 viii.

(10) 圖 3-4 電子式負載器圖 ----------------------------------------------------------------32 圖 3-5 功率因數向量圖 ----------------------------------------------------------------35 圖 4-1 無線耳機機構本體示意圖 ------------------------------------------------38 圖 4-2 手機與無線耳機的機構結合示意圖 -----------------------------------39 圖 4-3 LTC3536 BOOST IC 線路圖 -------------------------------------------------40 圖 4-4 LTC3536 方塊圖 ---------------------------------------------------------------41 圖 4-5 LTC3536 在不同的輸入電壓與輸出電流時的轉換效率比較圖 -----44 圖 4-6 LTC3536 在滿載時不同的輸入電壓與輸出電流對應圖 --------------44 圖 4-7 MCP73833 Charger IC 線路圖 -----------------------------------------------45 圖 4-8 MCP73833 Charger IC 架構圖 -----------------------------------------------46 圖 4-9 電池放電曲線圖 ----------------------------------------------------------------48 圖 5-1 測試實驗架構圖 ---------------------------------------------------------------49 圖 5-2 手機電池為 3.8V 時對無線耳機電池(100mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 --------------------------------------------------------------------52 圖 5-3 手機電池為 3.8V 時對無線耳機電池(100mAH)在充飽後的放電電壓(a)曲線圖 (b)數據值 -------------------------------------------------------53 圖 5-4 手機電池為 3.6V 時對無線耳機電池(100mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 --------------------------------------------------------------------55 圖 5-5 手機電池為 3.6V 時對無線耳機電池(100mAH)在充飽後的放電電壓(a)曲線圖 (b)數據值 -------------------------------------------------------56 圖 5-6 手機電池為 3.3V 時對無線耳機電池(100mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 --------------------------------------------------------------------58 圖 5-7 手機電池為 3.3V 時對無線耳機電池(100mAH)在充飽後的放電電壓(a)曲線圖 (b)數據值 -------------------------------------------------------59. ix.

(11) 圖 5-8 鋰離子電池放電曲線電壓圖 ------------------------------------------------60 圖 5-9 手機電池為 3.8V 時對無線耳機電池(150mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 --------------------------------------------------------------------62 圖 5-10 手機電池為 3.6V 時對無線耳機電池(150mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 -----------------------------------------------------------------63 圖 5-11 手機電池為 3.3V 時對無線耳機電池(150mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 -----------------------------------------------------------------65 圖 5-12 手機電池為 3.8V 時對無線耳機電池(250mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 -----------------------------------------------------------------66 圖 5-13 手機電池為 4.0V 時對無線耳機電池(250mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 -----------------------------------------------------------------67 圖 5-14 手機電池為 3.6V 時對無線耳機電池(250mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 -----------------------------------------------------------------68 圖 5-15 手機電池為 3.3V 時對無線耳機電池(250mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值 -----------------------------------------------------------------69 圖 5-16 電池容量增大後結果比較圖 -----------------------------------------------70 圖 5-17 充電電壓與電流之曲線圖 --------------------------------------------------71 圖 5-18 電源供應器模擬手機電池電壓充電曲線圖 -----------------------------72. x.

(12) 符號說明 V. 電壓. A. 電流. R. 電阻. C. 電容. L. 電感. VO. 輸出電壓. VI. 輸入電壓. RL. 負載電阻. P. 功率. Vcc. 電源電壓. CLK. 時間週期. VIN. 電壓輸入. VOUT. 電壓輸出. DC. 直流電壓. AC. 交流電壓. Q. 功率開關. xi.

(13) D. 飛輪二極體. Vg. 輸入電壓平均值. iC. 電容電流. iD. 二極體電流. iL. 電感電流. ΔiL. 電感平均電流. iO. 負載電流. VL. 電感電壓. ΔVL. 電感平均電壓. D. 方波寬度. Ts. 時間週期. MV. 電壓增益. t. 時間常數. η. 效率. POUT. 輸出功率. PIN. 輸入功率. IOUT. 輸出電流. IIN. 輸入電流. xii.

(14) VDD. 電源電壓. %. 百分比. xiii.

(15) 第一章. 緒論. 1.1 前言現今可攜式電子產品的發展與盛行，讓過去極佔空間且體積龐大的可攜式電子產品都必須面臨體積縮小化以及外型輕巧易攜帶方便等的基本要求，所以愈來愈多的可攜式電子產品都朝向設計成輕薄短小，且功能複雜等隨身攜帶的行動裝置，舉例來說以目前最流行的手機結合了 PDA (Personal Digital Assistant)功能，並搭配大尺寸液晶觸控顯示器及網路等眾多功能；此外也需要有更長的電池使用時間，避免因電池續航力不足而需反覆充電，所以時間長操作亦逐漸成為該類型產品必備的功能之一[1]。因此利用電池提供電源，就必須在低電壓與低電壓轉換之間減少功率消耗，使得電池得以延長操作時間，故如何將更有效率的電源轉換做好，已經成為目前電子電路設計的重要課題；尤其對於各式的電池供應產品舉凡筆記型電腦、平板電腦、行動電話、數位相機等，都是利用內部電池來維持產品的運作。目前可攜式電子產品的電源需求遠超過電池容量技術的發展，因此這些因素導致低耗能的市場需求開始逐漸的成長，所以可攜式電子產品要如何以低功率消耗、高操作效率來延長產品的使用時間，主要關鍵是在於輸出電壓對輸入電壓或負載的變化反應要更為迅速及輸出電壓的漣波與雜訊要更為下降；延長可攜式電子產品的使用時間有許多種方法，分析大多數的可攜式電子產品，可視為由電池、電源轉換器及負載所構成，所以在電池方面可藉由改善電池製程，提高電池的容量與體積比(即單位體積所含有電量)，另外利用電池恢復效應，可以多增加一些電池容量；在電源轉換器方面，可以著重於改善電源轉換器效率，如提高切換頻率(Switch Frequency)等，並使用適合於高頻操作的電源開關；在負載方面，可以減少負載消耗電力，如降低操作頻率及關閉不必要負載等方式。 1.

(16) 在可攜式電子產品的電池一般是以鋰離子電池、鎳鎘或鎳氫電池為主，表 1 為各類式可攜式電子產品中的電池比較表[2]，以單位體積或單位重量之蓄電量而言，鋰離子電池優於鎳鎘或鎳氫電池，因為鋰離子電池是目前量產二次電池中，能量密度最高，且有較高的工作電壓、也沒有相對的記憶效應（Memory Effect）、低自放電率（Self-Discharge）、重量輕等優點[3]，若由鎳鎘或鎳氫電池的低電壓轉至高電壓[4]，則效率較差，成本高，因此鋰電池便成為可攜式電子產品的主要電源供應元件。表 1-1 各類式可攜式電子產品中電池比較表[2] 採用考量產品. 可充電電池. Li-ion Ni-MH Ni-Cd Li-ion Mobile / Ni-MH PHS Ni-Cd Li-ion Camcorder / Ni-MH Cameras Ni-Cd Li-ion MP3 / MP4 Ni-MH Player Ni-Cd Note book PC/PDA. 課題/問題. 穩穩電安電小輕價定輕價定容全容型量格供量格供量性量應應 ○. ○. ○ ○. ○. ○. ○. ○. ◎. ◎. ○. ○. ◎. ○. ○. ◎. ○. ◎ ○. ◎. ○. ○. ◎. ○ ○. ◎. ○ ○. ○. ◎. ◎. ◎. ○. ◎ ○. ○ ○. 2. ◎ ◎. ◎ ◎. ◎ ○. ◎. ◎ ◎. ○. 環保問題.

(17) 1.2 直流轉換架構常用的 IC(Integrated Circuit)直流轉換器電路架構有三種，分別為低壓線性穩壓器 LDO (Low Dropout Regulator)、電荷幫浦(Charge pump)、電感式交換穩壓器等，下面將針對各種 IC 類的轉換器作一一介紹。. 1.2.1. 低壓降線性穩壓器 LDO 介紹. 目前業界最簡單的轉換器則以低壓降線性穩壓器最為之簡單，它能把高電壓轉換為較低的電壓，電流則會一樣的輸出。此結構是由差動放大器、及開關元件所組成，可以是外接式開關元件與控制元件組成，或也是整顆整合成單顆元件所組成，開關元件可能是電晶體或金屬氧化場效電晶體 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等元件。線性穩壓器的優點是簡單容易使用，輸出電壓的雜訊和漣波也很小，若電壓差距很大時，線性穩壓器的轉換效率就會變得很低，這就是線性穩壓器的主要缺點。在各類型的線性穩壓器中，以低壓降線性穩壓器 LDO 為目前可攜式電子產品最為廣泛地被使用，低壓降線性穩壓器 LDO 採用線性穩壓機制，因此幾乎沒有輸出漣波，適合拿來做為交換式穩壓器輸出後的濾波電路，提供給電源、音訊放大器、射頻電路及其他裝置線路等使用[5]。低壓降線性穩壓器 LDO 均可達到較低的雜訊、高速的暫態響應及較低的靜態電流等不同的需求，故成為電源管理系統不可或缺的重要元件。低壓降線性穩壓器 LDO 若要提供一個穩定的電壓，輸入端和輸出端的電壓差就必須超過某一個最小值，又稱為最小電壓差(dropout voltage)，低壓降線性穩壓器基本上是根據負載阻抗來調整導通元件的內部阻抗，來讓穩壓器提供固定的輸出電壓，這是低壓降線性穩壓器 LDO 的特點；也有非常多內建開關元件的穩壓器是提供較低的最小電壓差，甚至在更大電流時也是如此，因此就算輸入電壓很低，它們也能正常工作；最主要因為是低壓降線性 3.

(18) 穩壓器 LDO 可以降低輸出功率開關的飽和電壓，使得輸入電壓很接近輸出電壓，以至於功率消耗可以節省不少。低壓降線性穩壓器 LDO 電路架構如圖 1-1 所示[6]，其操作原理為，當輸入電壓 VI >Vo 時，藉由功率開關吸收 VI 和 Vo 的電壓差 Vdropout= VI-Vo，並由回授控制電路控制以提供平穩的輸出電壓 Vo，因功率開關工作於主動區時，所以作用跟一個可變電阻一樣，所消耗的功率為 P= I×Vdropout，若電壓差 Vdropout 和電流 I 愈多，則轉換效率愈少。. 圖 1-1 低壓降線性穩壓器 LDO 電路架構圖[6] 低壓降線性穩壓器 LDO 綜合其以上特點整理如下： 1.. 簡單容易使用。. 2.. 效率不高。. 3.. 無電磁干擾 EMI (Electric Magnetic Interruption)及輸出漣波。. 4.. 較容易發熱，溫度問題難解。. 5.. 價錢便宜。. 4.

(19) 1.2.2. 電荷幫浦電路介紹. 電荷幫浦電路可以稱為交換式電容轉換器(Switched capacitor converter) 其中含二極體和切換開關與電容的切換線路，電荷幫浦電路是用飛馳或泵浦電容的直流電源轉換器[7]，並不是靠電感或變壓器來做儲存能量的動作；另外利用元件內部的切換開關來控制電容的充電和放電，讓輸入電壓能以某些數值的倍數作增減，這種調變的機制最高能夠達到 90%的峰值，圖 1-2 為電荷幫浦 IC 的架構圖[6]，電荷幫浦 IC 內部有兩個控制開關元件與頻率振盪器，需要有兩個電容外接，此電荷幫浦電路也可以用雜散元件組成，並且效率會比前面介紹的低壓降線性穩壓器 LDO 來高的許多，且電路架構不需要電感，因此電磁干擾較小，體積與價格方面也比電感低，所以此種類型 IC 架構也是在可攜式電源的設計當中佔有極重要的地位。. 圖 1-2 電荷幫浦 IC 架構圖[6] 電荷幫浦電路綜合其以上特點整理如下： 1.. 輸入端與輸出端各加一組電源後，則再加電容亦可使用。. 2.. 與低壓降線性穩壓器 LDO 比較效率高。 5.

(20) 3.. 電磁干擾 EMI 較低及輸出漣波較小。. 4.. 輸出瓦特數與電壓比值受到限制。. 5.. 價錢適中。. 1.2.3. 電感式交換穩壓器電路介紹. 電感式交換穩壓器是用切換開關的方式來做交換式直流電源轉換器，運用電感作為儲存能量的元件，在所有的直流轉換中，可以提供最大的電源轉換效率，並且最符合需要大電流的運用，還可將其轉換為降壓、升壓或降升壓等電路，比較其他輸出電流和相似的線性穩壓器與電荷泵浦的架構來說，這種架構需要更多的空間線路。電感式交換穩壓器有較高的電源轉換效率，亦可將熱降低，並且不需要額外增加散熱片來解決熱的問題，特別是與低壓降線性穩壓器 LDO 來相比時，可以明顯的看出效率與熱之間的差異；電感式交換穩壓器有較高的電源轉換效率，是因為通常利用脈衝寬度調變 PWM (Pulse Width Modulation) 的方式來控制導通元件，此方式可以改變負載的週期性，也是可以直接改變開關導通和截止的時間比值，用來配合電感儲存電能的能力，可將輸出電壓在極小的輸入電壓與負載電流的情狀下保持穩定；切換開關的導通電阻與電感的直流電阻越低，則功率消耗就越小，其轉換效率也就越高[6]。當負載電流越小，則脈衝寬度調變 PWM 控制電路的效率也就越低。有些應用必須將開關頻率固定，讓系統所受的電磁干擾減至少，在許多電源轉換器也會為這類型的應用提供同步 PWM 模式。不含切換開關的電感式交換穩壓器常被稱呼為控制器，可以選擇擁有特定參數值的外接式切換開關，同時可以對需求的應用做限定電流的調整。圖 1-3 為不含切換開關的電感式交換穩壓器 IC 架構圖[6]。 6.

(21) 圖 1-3 不含切換開關的電感式交換穩壓器架構圖[6] 電感式交換穩壓器綜合以上其特點整理如下： 1. 需要外加電感，價錢偏高。 2. 可以選擇性外加切換開關。 3. 效率佳，且不易產生高溫。 4. 電磁干擾 EMI 及輸出漣波較佳。 5. 線路空間需要較大。 6. 輸出電壓與輸入電壓差異較大時，可有較高的輸出電流。綜合上述電源 IC 的基本架構介紹，是以可靠度高、高效能及輕薄短小來看，未來可攜式消費性電子產品市場將快速成長及改變，為了提供這些產品與電源控制的應用需要作更進一步的整合，例如整體成本、效率、設計彈性和封裝等等考量，來達到更加完整效能，在以低壓降線性穩壓器 LDO、電荷幫浦電路和採用電感式交換穩壓器相互作比較，可以用來滿足可攜式產品的電源轉換需求。. 1.3 電源管理系統在電源管理效率方面，一般可以在三個設計領域加以分析[5]：第一是有效的電池管理，電池必須要能充飽，並且需要長期保持電能的存在，另外在 7.

(22) 沒電時充電之前可以提供最多的電力，電池本身會隨著充電時間的長短不一，而有效率上的差異。第二是系統功率消耗元件的主動管理，例如主要的 IC 與其他周邊的被動元件等，系統的功率消耗可以依照系統效能需求進行管理，但可以節省下來的電能是非常的有限，因為一般長時間處於工作模式的狀態下，如電腦及終端機等，此設計領域的主零件與周邊 IC 僅占總消耗的一小部分而已，所以並不會有太明顯的差異。最後是電源轉換程序的設計領域，此設計領域將會對電源管理效率上影響最大；之所以會成為電源轉換程序影響最大的原因是，在一般較高效率的電源轉換器大都是操作在重負載時，可以達到較高的轉換效率，但在輕負載時，其效率就不一定有相同的水準，而其中最主要的原因是功率消耗都集中在於功率開關上，其次是儲存能量的電感，而傳導損失、靜態損失及切換損失又占功率開關損耗的最主要因素[8]；另外傳統式的轉換器因為功率消耗過大，所以需要用同步整流器的方式來改善此問題，但也產生出在低負載操作時，電感的逆向電流會增加無效功率的損耗，因而電感的逆向電流是造成低負載時效率偏低的主要原因。. 1.4 研究動機與目的故本研究將針對在電源管理效率上，對其影響最大的電源轉換程序方面的相關問題，設計有效提高電源轉換效率的技術。在另一方面目前一般可攜式電器產品都是利用充電器(Adapter)來對充電電池做充電儲存電能，但充電器主要的功能僅僅是單純的對電池充電，而對於電池充電的方法對效率的提升並無太多的幫助，以至於電壓轉效率都非常的低，且易造成能源的浪費，所以本研究亦將針對如何提升電源轉換效率及與手機結合使用的便利性，做充分的研究及分析。 8.

(23) 綜合以上所述，本研究將設計一高電源轉換效率電路，直接運用手機電池來對無線耳機充電，此設計的優點如下: 1. 提高對能源的使用效率。 2. 無線耳機可以直接使用手機提供之電源進行充電作業，不需額外的充電器，減少資源的浪費。 3. 無線耳機可以直接整合在手機上，成為手機之一部分，增加使用無線耳機之便利性。. 1.5 論文架構論文內容共分成六個章節。第一章為緒論，在簡述本論文的研究動機；第二章為直流轉換器介紹，把直流轉換器的基本觀念作詳細的介紹；第三章為交流轉直流充電器之分析，說明如何透過一般交流轉直流充電器來計算量測實際效率結果；第四章為研究方法，介紹本論文所設計的機構及使用電路說明；第五章為結果與討論，從實際的實驗結果數據來看相關的優缺點比較；第六章為結論與未來展望，將本研究測試結果作一個總結，最後將不足或是尚未完成之項目提供出來。. 9.

(24) 第二章. 直流轉換器介紹. 2.1 電源轉換系統電源轉換器的主要功能是將輸入電源的電壓轉換成負載所需要的電壓型式，電源轉換器基本上是由三個不同元件所形成，如圖 2-1 為開關式電源轉換系統圖所示，一是功率開關元件，例如電晶體、二極體等，其功能在於電源的切換與整流；二是儲存電能與濾波元件，例如電感器、電容器等，其功能是提供電能轉換所需要的暫時儲存能量兼濾波；三是檢測與控制元件，其功能是提供信號回授、控制信號的產生、保護與介面等功能。. 圖 2-1 開關式電源轉換系統圖. 2.2 直流轉換器的基本類型直流轉換器是用得最多且最廣，也是結構變化最豐富與最多樣的一類轉換器，舉凡各式消費性電子產品，皆需要直流轉換器；直流轉換器的各種轉換方式中，有以下四種基本類型：降壓型直流轉換器、升壓型直流轉換器、升降壓直流轉換器及邱克直流轉換器等[9]。. 2.2.1 降壓型直流-直流轉換器(BUCK DC-DC Converter) 降壓型直流轉換器電路如圖 2-2 為 Buck DC-DC Converter 電路圖所示，可將輸入電壓平均值 Vg 轉換成比輸入電壓更低之輸出電壓平均值 Vo，在功 10.

(25) 率開關 Q 與 D 飛輪二極體(flywheel. diode)的主要功能是控制能量儲存與傳. 送，而電感 L 作為傳送與儲能及濾波(針對電流的部分)等用途，電容 C 主要功能也在於傳送與儲存能量及濾波之用(針對電壓的部分)，電阻 R 則為負載，一般正常分為兩個行為模式來介紹其工作原理:. iL. Q. L. + VL Vg. _ +. iD. 圖 2-2. iO. iC. D. + Vo -. C. R. Buck DC-DC Converter 電路圖. 1. 模式 1 (0 < t < DTs)，如圖 2-3 為 Buck DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖所示，功率開關 Q 在 t =0 導通時，輸入電流上升，流經濾波電感 L，濾波電容 C 及負載電阻 R。. iL. L. + VL Vg. _ +. 圖 2-3. iO. iC C. + Vo -. R. Buck DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖. 11.

(26) 利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為:. VL  Vg  Vo. diL(t ) dt. VL  L. diL(t ) VL(t ) Vg  Vo   dt L L. ( 2-1 ). 在 ton 導通時間，電感電流為:. iL . Vg  Vo DTs L. ( 2-2 ). 2. 模式 2 (DTs < t < Ts)，如圖 2-4 為 Buck DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖所示，功率開關 Q 在 t = t1 時斷開，飛輪二極體 D 由於儲存在電感的能量而導通，電感電流持續流過電感 L 及電容 C，負載 R 和飛輪二極體 D。電感電流會逐漸減少，直到功率開關 Q 在下各週期再度導通。. iL. L. + VL -. iO. iC C. 圖 2-4. + Vo -. R. Buck DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖. 利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為: 12.

(27) VL  Vo VL  L. diL(t ) dt. diL(t ) VL(t ) Vo   dt L L. ( 2-3 ). 在 toff 導通時間，電感電流為:.  iL  . Vo (1  D)Ts L. ( 2-4 ). 3. 在伏特-秒平衡法則(Volt-Second Balance Principle)連續重覆前述的兩個狀態下達到穩態時，即可得到一個穩定的電壓及電流波形圖，如圖 2-5 為 Buck DC-DC Converter 理想波形圖所示，而可以推導出輸入與輸出電壓及電流的關係如下: 單一週期內之電感電壓量總合為零(伏特- 秒平衡) Ts VL (t )dt 0. .  (Vg  Vo ) DTs  (Vo )(1  D )Ts. 0  DVg  Vo. VL  (Vg  Vo) D  (Vo)(1  D). ( 2-5 ). 整理後可得:. Vo  VgD. ( 2-6 ). 所以電壓增益為:. MV . Vo D Vg. ( 2-7 ) 13.

(28) Vg. t Ts. DTs VL. Vg  Vo. (1-D)Ts t DTs. iL. Vo. Vg  Vo L. . Vo L. iL. t DTs 圖 2-5. Ts. Buck DC-DC Converter 理想波形圖. 2.2.2 升壓型直流-直流轉換器(BOOST DC-DC Converter) 升壓型直流轉換器電路如圖 2-6 為 Boost DC-DC Converter 電路圖所示，可將輸入電壓平均值 Vg 轉換成比輸入電壓更高之輸出電壓平均值 Vo，以下分為兩個行為模式來介紹其工作原理:. 14.

(29) iL. L. D. iC. + VL Vg. _ +. Q. 圖 2-6. iO + Vo -. C. R. Boost DC-DC Converter 電路圖. 1. 模式 1 (0 < t < DTs)，如圖 2-7 為 Boost DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖所示，開始於功率開關 Q 在 t =0 導通時，輸入電流上升，流經電感 L 和功率開關 Q。. iL. L. iC. + VL Vg. _ + 圖 2-7. iO C. + Vo -. R. Boost DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖. 利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為:. VL  Vg. VL  L. diL(t ) dt. 15.

(30) diL(t ) VL(t ) Vg   dt L L. ( 2-8 ). 在 ton 導通時間，電感電流為:. iL . Vg DTs L. ( 2-9 ). 2. 模式 2 (DTs < t < Ts)，如圖 2-8 為 Boost DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖所示，在功率開關 Q 在 t = t1 時斷開，原先流過功率開關 Q 的電流現在流過電感 L、電容 C、負載 R 和飛輪二極體 D。電感電流會逐漸減少，直到功率開關 Q 在下各週期再度導通，儲存在電感 L 的能量轉移至負載 R。. iL. L. iC. + VL Vg. _ +. 圖 2-8. iO C. + Vo -. R. Boost DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖. 利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為:. VL  Vg  Vo. VL  L. diL(t ) dt. diL(t ) VL(t ) Vg  Vo   dt L L 16. ( 2-10 ).

(31) 在 toff 導通時間，電感電流為:. iL . Vg  Vo (1  D )Ts L. ( 2-11 ). 3. 在伏特-秒平衡法則(Volt-Second Balance Principle)連續重覆前述的兩個狀態下達到穩態時，即可得到一個穩定的電壓及電流波形圖，如圖 2-9 為 Boost DC-DC Converter 理想波形圖所示，而可以推導出輸入與輸出電壓及電流的關係如下: 單一週期內之電感電壓量總合為零(伏特- 秒平衡) Ts VL (t )dt 0. .  (Vg ) DTs  (Vg  Vo )(1  D )Ts. VL  (Vg ) D  (Vg  Vo )(1  D ). Vg  (1  D)Vo  0. ( 2-12 ). 整理後可得:. Vo  VgD. ( 2-13 ). 所以電壓增益為:. MV . 1 Vo  Vg 1  D. 17. ( 2-14 ).

(32) Vg. t Ts. DTs VL. Vg. (1-D)Ts t. iL. DTs. Vg  Vo. Vg L. Vg  Vo L. iL. t DTs. 圖 2-9. Ts. Boost DC-DC Converter 理想波形圖. 2.2.3 升降壓型直流-直流轉換器(BUCK-BOOST DC-DC Converter) 升降壓型直流轉換器電路如圖 2-10 為 Buck-Boost DC-DC Converter 電路圖所示，可將輸入電壓平均值 Vg 轉換成比輸入電壓更高或更低之輸出電壓平均值 Vo，且輸出電壓與輸入電壓的極性相反，以下分為兩個行為模式來介紹其工作原理:. 18.

(33) iS. Q. D. iD. iL Vg. _ +. + VL -. L. Vo +. C. iC 圖 2-10. R. iO. Buck-Boost DC-DC Converter 電路圖. 1. 模式 1 (0 < t < DTs)，如圖 2-11 為 Buck-Boost DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖所示，功率開關 Q 在 t =0 導通時，飛輪二極體 D 為反向偏壓，輸入電流上升，流經濾波電感 L 和功率開關 Q。. iL. Vg. _ +. + VL -. L. C. iC 圖 2-11. Vo +. R. iO. Buck-Boost DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖. 利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為:. VL  Vg. VL  L. diL(t ) dt 19.

(34) diL(t ) VL(t ) Vg   dt L L. ( 2-15 ). 在 ton 導通時間，電感電流為:. iL . Vg DTs L. ( 2-16 ). 2. 模式 2 (DTs < t < Ts)，如圖 2-12 為 Buck-Boost DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖所示，功率開關 Q 在 t = t1 時斷開，電感電流持續流過電感 L、電容 C、負載 R 和飛輪二極體 D，儲存在電感 L 的能量轉移至負載 R，而電感電流逐漸減少，直到功率開關 Q 在下個週期再度導通。. iL + VL -. L. C. iC 圖 2-12. Vo +. R. iO. Buck-Boost DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖. 利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為:. VL  Vo VL  L. diL(t ) dt. diL(t ) VL (t )  Vo   dt L L 20. ( 2-17 ).

(35) 在 toff 導通時間，電感電流為:.  iL .  Vo (1  D)Ts L. ( 2-18 ). 3. 在伏特-秒平衡法則(Volt-Second Balance Principle)連續重覆前述的兩個狀態下達到穩態時，即可得到一個穩定的電壓及電流波形圖，如圖 2-13 為 Buck-Boost DC-DC Converter 理想波形圖所示，而可以推導出輸入與輸出電壓及電流的關係如下: 單一週期內之電感電壓量總合為零(伏特- 秒平衡) 所以電壓增益為: Ts VL (t )dt 0. .  (Vg ) DTs  (Vo)(1  D )Ts. VL  (Vg ) D  (Vo )(1  D ). VgD  Vo(1  D)  0. ( 2-19 ). 整理後可得:. VgD  Vo(1  D). ( 2-20 ). 所以電壓增益為:. MV . D Vo  Vg 1  D. 21. ( 2-21 ).

(36) Vg. t Ts. DTs VL. Vg. (1-D)Ts t DTs. iL. Vo.  Vo L. Vg L. iL. t DTs 圖 2-13. Ts. Buck-Boost DC-DC Converter 理想波形圖. 2.2.4 邱克直流-直流轉換器(Ćuk DC-DC Converter) 邱克直流轉換器電路如圖 2-14 為 Ćuk DC-DC Converter 電路圖所示，類似於升降壓型直流轉換器，可將輸入電壓平均值 Vg 轉換成比輸入電壓更高或更低之輸出電壓平均值 Vo，輸出電壓的極性跟輸入電壓相反，以下分為兩個行為模式來介紹其工作原理:. 22.

(37) i L1. i C1. L1. + VL1 Vg. L2. C1. + Vc1 -. + VL2 -. Q. 圖 2-14. iO. i C2. + Vc2 -. D. _ +. i L2. + Vo -. C2. R. Ćuk DC-DC Converter 電路圖. 1. 模式 1 (0 < t < DTs)，如圖 2-15 為 Ćuk DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖所示，功率開關 Q 在 t =0 導通時，流經電感 L1 的電流增加，同時電容 C1 的電壓對飛輪二極體 Dm 形成反向偏壓，電容 C1 接著對 C2、負載 R 和 L2 形成電路放電。. i L1. L1. L2. i C1 + VL2 -. + VL1 Vg. Vc1 +. _ + 圖 2-15. i L2. C1. + Vc2 -. iO. i C2 C2. + Vo -. Ćuk DC-DC Converter 模式 1 等效電路圖. 利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為:. VL1  Vg. VL1  L. diL(t ) dt 23. R.

(38) diL1(t ) VL1(t ) Vg   dt L1 L1. ( 2-22 ). VL2  Vc1  Vo VL 2  L. diL(t ) dt. diL2(t ) VL2(t )  Vc1  Vo   dt L2 L2. ( 2-23 ). 在 ton 導通時間，電感電流為:. iL1 . Vg DTs L1. ( 2-24 ).  iL 2 .  Vc1  Vo DTs L2. ( 2-25 ). 2. 模式 2 (DTs < t < Ts)，如圖 2-16 為 Ćuk DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖所示，功率開關 Q 在 t = t1 時斷開，電容 C1 由輸入電源 Vg 充電，此時飛輪二極體 Dm 因順向偏壓而導通，儲存在電感 L2 的能量轉移至負載 R，電容 C1 是能量從電源傳至負載 R 的媒介。. i L1. L1. L2. + VL1 Vg. _ +. + Vc1 -. 圖 2-16. i C1. i L2. + VL2 + Vc2 -. C1. iO. i C2 C2. + Vo -. Ćuk DC-DC Converter 模式 2 等效電路圖 24. R.

(39) 利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為:. VL1  Vg  Vc1 VL1  L. diL(t ) dt. diL1(t ) VL1(t ) Vg  Vc1   dt L1 L1. ( 2-26 ). VL2  Vo VL 2  L. diL(t ) dt. diL2(t ) VL 2(t )  Vo   dt L2 L2. ( 2-27 ). 在 toff 導通時間，電感電流為:. iL1 . Vg  Vc1 DTs L1. ( 2-28 ). iL 2 .  Vo DTs L2. ( 2-29 ). 3. 在伏特-秒平衡法則(Volt-Second Balance Principle)連續重覆前述的兩個狀態下達到穩態時，即可得到一個穩定的電壓及電流波形圖如圖 2-17 為 Ćuk DC-DC Converter 理想波形圖所示，而可以推導出輸入與輸出電壓及電流的關係如下: 單一週期內之電感電壓量總合為零(伏特- 秒平衡) 25.

(40) Ts VL1(t )dt 0. .  (Vg ) DTs  (Vg  Vc1)(1  D)Ts. VL1  (Vg)D  (Vg  Vc1)(1  D) Vg  Vc1(1  D )  0 Ts VL2(t )dt 0. . ( 2-30 ).  (Vc1  Vo) DTs  (Vo)(1  D)Ts. VL 2  (Vc1  Vo) D  ( Vo)(1  D). Vc1D Vo  0. ( 2-31 ). 整理後可得:. Vg  Vc1(1  D). ( 2-32 ). Vo  Vc1D. ( 2-33 ). 所以電壓增益為:. MV . Vo D  Vg 1 D. 26. ( 2-34 ).

(41) Vg. VL1. t. Ts. DTs Vg. (1-D)Ts t. iL1. DTs. Vg  Vc1. Vg L. Vg  Vc1 L. iL t DTs VL2. Ts Vo. DTs  Vc1  Vo. iL 2. t. (1-D)Ts  Vo L.  Vc1  Vo L. iL t DTs 圖 2-17. Ts Ćuk DC-DC Converter 理想波形圖. 2.3 影響直流轉換器效率的主要因素各種會影響直流轉換器效率的因素，大致上包含了以下三種損失，傳導損失(Conduction Loss)、切換損失(Switching Loss)與靜態損失(Quiescent Loss) 27.

(42) [10]，若要提高轉換效率，其作法無非是要減少損耗，使得實際可從輸入端，轉換到輸出端的能量提高。直流轉換器的轉換效率( η ) 定義為：. Pout  100% Pin. ( 2-35 ). Pout  Pin  PLoss. ( 2-36 ). . 2.3.1. 傳導損失. 在傳遞能量的元件經電流流過後，因寄生效應所產生的損失，此損耗稱之為傳導損失，其中包含了功率開關導通損失(Power Switch Loss)、電感損失(Inductor Loss)、電容損失(Capacitor Loss)與二極體損失(Diode Loss)，以 MOSFET 為例，在導通時有一微小電阻 Rds_on，此時在元件上所產生的傳導損失。功率開關導通損失:. PMOS _ N  IL2  D  RON _ N. ( 2-37 ). 電感損失:. PL  IL2  RL _ ESR. ( 2-38 ). 電容損失:. PC  [ D  IOUT 2  (1  D) IL2 ]RC _ ESR. ( 2-39 ). 二極體損失. PD  (1  D) IL  VD. ( 2-40 ). 其中 D 為功率開關導通的時間，IOUT 為負載電流，IL 為流經電感的平均電流， RC_ESR 為電容上的寄生電阻，RL_ESR 為電感上的寄生電阻，VD 為二極體的電壓，RON_N 為功率開關導通時的等效電阻。. 28.

(43) 2.3.2. 切換損失. 當功率開關元件在做切換的動作時所消耗的功率，稱之為切換損失，其中包含了寄生電容損失(Parasitical Capacitor Loss)與開關重疊損失(Overlap Time of the Turn-on and Turn-Off Loss)，若因切換頻率愈來愈高，使得切換損失佔總損失的比重愈來愈重，以下公式為寄生電容損失及開關重疊損失: 寄生電容損失:. PMOS _ C  2  CG  VG 2  fsw. ( 2-41 ). 開關重疊損失:. POL  2  IL (VOUT  VD )  tX  fsw. ( 2-42 ). 其中 CG 為功率開關閘極(Gate)的寄生電容，VG 為閘極電壓，t x 為開關重疊的時間，f sw 為功率開關切換的頻率，VOUT 為輸出電壓。. 2.3.3. 靜態損失. 當電路不動作時，其內部電路所消耗的功率，稱之為靜態消耗，要減少此項消耗，需要將內部最佳化( 補充 )。靜態損失:. PQuiescent  IQuiescent VIN. ( 2-43 ). 2.4 小結上述為直流電源轉換的基本介紹，在電源的架構中，都有各自的應用的優缺點；而在此研究中，我們應用普遍的升壓型轉換器做為研究的架構，而研究的範圍及重點，主要針對手機電池電壓轉換為無線耳機充電電壓的轉換效率，目前因為全球暖化的問題越來越嚴重，導致節能的觀念日漸重要，並且可攜式電子產品的種類也越來越多，若未來可以一併考慮到電源共用的可能性，也成為未來重要的一個議題。. 29.

(44) 第三章. 交流轉直流充電器之分析. 3.1 能源轉換效率規範現今環保觀念持續提高，現代人對日常節約能源觀念逐漸重視，但隨手關掉開關進行節能省電的方法，並無法達到每種電器的節能方式，尤其是對長時間都需要接著電源變壓器的電子裝置如:電腦、螢幕、網路設備…等，可能需面臨長時間接著電源或是在不同的運作效能需求時，所進行多種的不同電力，而無法簡單運用電源開關來達到節電效果，再加上裝置本身因電源轉換電路設計方面的限制，平時待機準備運作的電源，都在慢慢的消耗一小部分的能量中，會造成使用者在能源上做出不必要的浪費，而針對這類需長時開啟的電子設備，更應進一步強化裝置的節能設計，才能讓節能效益更加顯著。日常生活中的電器，以電視、網路設備、電腦耗能最為常見，但多數產品都是以直流電進行驅動，所以造成需要利用 AC/DC 交流轉直流的電源轉換，或是在進一步進行 DC/DC 能源轉換，才能達到驅動電子裝置進行運作的目的。能源在轉換過程，其實已經造成耗損，除了轉換電力電壓或是形式的裝置或電路，而裝置本身僅因能源轉換即造成的浪費，已經對環境造成傷害。針對於此，以有許多國際規範單位已對許多種能源提出規範，例如:美國 80PLUS 規範[11]、美國能源之星[12]是針對電腦裝置、電子裝置的電源設備提出多種規範與認證要求，另日本 Top Runner、歐盟 EuP，都針對能源效率議題提出相關產品規範要求，以限制產品開發時所產生使用更高效率的電器設備，減少相關能源浪費問題，已經成為業界的改善重點。現在一般都是用交流轉直流之充電器，提供給手機或其他可攜式電子產品來做為電池充電所使用，然而一般市面上的充電器效率差，實際效率上大約都低於 50%。但在學術上要求理想的充電器效率期望值都在設定在 80% 30.

(45) 以上[13]，目前能源之星(計畫是美國為減緩日趨嚴重的溫室效應現象，由美國環保署與能源部共同合作推動一系列自發性「節約能源夥伴方案」之一，主要為鼓勵企業界及民眾節省能源開支，進而減少二氧化碳等溫室氣體排放。我國環保署於 1999 年 7 月與美國環保署簽署「台美環境保護技術合作協定第四號執行辦法」，獲美國環保署授權使用並管理台灣地區能源之星相關事宜。) 的規範要求電源轉換效率至少要高於 68% [12]，檢視能源之星 2.0 規範，變壓器本身處於待機空載時的能源消耗，亦不能超過 300mW。. 3.2 一般充電器轉換效率分析對一般充電器用來充手機及無線耳機電池的效率演算說明，如圖 3-1 為量測設備方塊圖所示量測出來的結果表示，如表 3-1 為一般電子產品充電器效率轉換的比較表所示(在滿載的情況下的量測結果)。. 圖 3-1 量測設備方塊圖將輸入端 AC SOURCE 串聯一只電流表，如圖 3-2 為桌上型電表圖所示來量測流入電流的值，在電流表後並聯一只電壓表，如圖 3-3 為可攜式萬用電表圖所示來量測 AC SOURCE 輸入端的電壓值，將充電器接上後同時在輸出端再各串聯一只電流表(如圖 3-2 所示)及並聯一只電壓表(如圖 3-3 所示) 來量測輸出的電壓及電流值，最後在接一台電子式負載器，如圖 3-4 為電子式負載器圖所示來模擬滿載時的負載狀況下進行測試。. 31.

(46) 圖 3-2 桌上型電表圖. 圖 3-3 可攜式萬用電表圖. 圖 3-4 電子式負載器圖根據電壓與電流在輸出與輸入的變化下，推得電源轉換效率公式為: 32.

(47) . Pout  100% Pin. ( 3-1 ). 其中 Pout 為輸出功率、Pin 為輸入功率。式(1)亦可表示為:. . Vout  I out  100% Vin  I in. ( 3-2 ). 其中 Vout 為輸出電壓、Vin 為輸入電壓 Iout 為輸出電流、Iin 為輸出入電流表 3-1 一般電子產品充電器效率轉換的比較表 MOTOROLA 手機充電器. 一般 USB 充電器. 無線耳機充電器. 充電器. Vin. 110V. 110V. 110V. Iin. 0.067A. 0.052A. 0.063A. Vout. 5V. 5V. 5V. Iout. 0.5A. 0.5A. 0.5A. η%. 33.9 %. 43.7%. 36 %. 空載損耗. 0.825W. 0.77W. 0.77W. 備註:(以理想的狀態下計算，用滿載 0.5A 作為負載比較) 由以上測試結果可以發現，使用交流轉直流之充電器充電的缺點有: 1. 效率差；在滿載的情況測試下，三種充電器都低於 50 %。 2. 空載損失大；充電器若在不使用，且不拔掉電源的情況時會產生不必要的空載功率損耗，若將空載功率損耗降低，則可以節約許多不必要能源的浪 33.

(48) 費。目前「能源之星」的規範要求空載功率損耗標準是 0.3 W [12]，而表示之三種充電器皆高於標準值甚多。. 3.3 交流電源功率因數與效率之關係由於一般市電必須經由台電供應並轉換成交流電壓才會傳輸到一般的家庭上使用，因為交流電壓較利於長距離傳輸[10]，所以說一般家用電壓都是交流電壓，但在交流電壓的電力系統中是以 PF 功率因數(Power Factor)的高低，來決定效率本身的好壞，而不是電力系統本身轉換效率的問題，來決定效率的高低，以交流電壓的電力系統來說，在電力系統的效率與 PF 功率因數本身之間並無直接關係，而是以負載本身特性轉換至 PF 功率因數值，來決定效率本身的好壞下面將詳細介紹負載的特性與 PF 功率因數之間的關係做詳細的介紹。為了維持供電上品質，電力公司會希望用戶端能夠提高功率因數，來降低許多無效功率，避免增加不必要的功率損耗，是因為由於一般用電之負載多為電感性負載居多，但在電力系統中電感性負載會產生許多無效功率，無效功率損耗是一種無形的電力損失，在電力系統中當接上許多電感性的負載時，電感性會產生電流落後電壓 9 0 度相角，因此產生出功率被分為 P 有效功率(KW)與 Q 無效功率(KVAR)兩種，這兩者總合為總輸出功率稱為 S 視在功率(KVA)。在交流電力系統裡有效功率才是真正用電設備所使用的輸入功率，有效功率是每秒所做的功或所消耗的能量，視在功率是給出去的總電壓與總電流乘積的功率，無效功率則是視在功率扣除有效功率後所需耗掉的功率。有效功率 :. P  Vrms  Irms  cos. ( 3-3 ). 視在功率 :. S  Vrms  Irms. ( 3-4 ). 34.

(49) 無效功率:. Q  Vrms Irms  sin. ( 3-5 ). 無效功率會使用電設備產出功率降低並且會造成線路損失增加，而有效的改善此現象的方法是讓負載改變為電容性負載，如加裝電容器等，因電容器為電容性負載，會產生始原先落後的電流改變為超前的電流，與電壓超前 90 度的相位角，這就可以抵消原有的電感性負載產生之無效功率，在交流電源的環境下，電壓與電流之間的關係以時間函數來表示，V(t)大致是良好的正弦波，I(t)則要視負載的用電設備而定，如果是線性負載也就是當供電電壓波形為正弦波，且電流波形一樣也是正弦波時，PF 功率因數為 COSθ 如公示( 3-6 )，其中 θ 為電壓波形電流波形的相位差。如圖 3-5 為功率因數向量圖所示，當 PF 功率因數為 θ 表示時，以相同的 P 有效功率(KW)對應到 θ1 的 KVAR1 與 θ2 的 KVAR2 相比較時，KVAR2 遠小於 KVAR1 的無效功率消耗。 PF 功率因數 = P 有效功率／S 視在功率=COSθ. 圖 3-5 功率因數向量圖. 35. ( 3-6 ).

(50) 3.4 小結所以在交流的電力系統中 PF 功率因數的高低，是決定於負載本身的特性上，與用電產品本身的轉換效率並無直接明顯的關係，並不是靠用電產品本身轉換來決定較率的高低；以往所使用的電子產品，很多系統都不是線性負載，所以功率因數不高，如要提高功率因數，必須加入功因修正電路，但相對會提高成本，也會增加不必要的空間體積，因此功率因數對電子開發廠商與一般使用者並無明顯的誘因，所以目前市售的電子相關產品有提高功率因數的並不多見，但若要有效節省能源的話，只有減少不必要的充電過程，可以減少避免掉許多不必要的電力損耗產生。. 36.

(51) 第四章. 研究方法. 4.1 設計概念此研究之設計概念是利用無線耳機與手機外殼結合下，所產生的概念，此結合後將會有實用性之設計與使用上的便利，在實用性的部分，將兩者物品結合在一起，可以共用一個充電器節省不必要的物質浪費，並可達到節能之效果，另外在使用上的便利性方面，將可以避免無線耳機當外出臨時要用但卻沒電可用時，將可直接透過手機之電池充電，可以節省臨時沒電之虞。. 4.2 無線耳機之機構概念本研究所設計之無線耳機是利用機構伸縮概念來設計與手機機構外殼作結合，將可帶來使用上及攜帶上的便利性。圖 4-1 為無線耳機機構本體示意圖，此機構原件包括有一揚聲器、麥克風、鋰離子電池和電池充電電路及 RF 無線傳輸線路等，無線耳機本體內使用鋰離子電池作為提供電力輸出，若在實際使用的情況下，當無線耳機的電力快耗盡時，可透過機構設計，直接由手機端的電池提供給無線耳機作充電使用，利用無線耳機的充電伸縮部，將伸縮桿延長或縮短來將電源傳輸介面連接至手機端的升壓式電源轉換器電路，透過手機電池做充電，此時手機電池可透過手機升壓模組持續對無線耳機做充電動作，且同時間並不會影響手機正常功能的使用，此優點可以讓無線耳機在每次與手機通話使用時，都會保持一定程度的電力，不會有隨時沒電之問題。. 37.

(52) 圖 4-1 無線耳機機構本體示意圖. 4.3 手機與無線耳機結合之機構概念圖 4-2 為手機與無線耳機的機構結合示意圖，此設計是將無線耳機的耳機本體結合於手機的側面機構中，並在手機內部加入升壓式電源轉換器電路，使無線耳機可透過手機電池經升壓式電源轉換器電路後，提供電力給無線耳機作充電使用。. 38.

(53) 圖 4-2 手機與無線耳機的機構結合示意圖. 4.4 升壓模組功能介紹直流電源轉換器通常利用脈衝寬度調變( Pulse Width Modulation, PWM ) 機制來控制導通元件[3]，此技術會改變負載週期，也就是電晶體導通時間和截止時間的比值，再配合電感的電力儲存能力，讓輸出電壓在有限的輸入電壓和負載電流範圍內保持固定；當場效電晶體 FET 導通阻抗和電感的直流阻抗越小時功耗就越少，故轉換效率也越高。電感式交換穩壓器是採用電感又內建場效電晶體 FET 開關的交換式直流電源轉換器，並利用磁性線圈做為能量儲存裝置，在所有的直流轉換方法中，這種技術可提供較高的電源轉換效率[10]。相較於其他輸出電流類似的線性穩壓器和某些電荷泵浦解決方案[7]，雖然這種架構需要比較大的空間面積，但可高達 90%以上的峰值轉換效率可將電池壽命最佳化，進而延長產品的工作時間。 LTC3536 BOOST IC 是因為通用性高、價格適中、效率高，可電壓調整彈性大。圖 4-3 為 LTC3536 BOOST IC 升壓式轉換器線路圖，運用 LTC3536 BOOST IC 將手機電池 VCC: 3.0V~4.0V 電壓提升至 VDD: 5V，並提供給無 39.

(54) 線耳機做充電輸入。手機電池為輸入電壓 VBAT，並聯一電感後進入 LTC3536 BOOST IC，VDD 電壓輸出端 5V 是利用電阻分壓來調整其設定電壓值，隨後在 VDD 端並聯一電容用來穩壓後對無線耳機進行充電工作。 VDD: 5V. L2 4.7uH. C5. C6 R7. 47pF. U3 4 8 9. C7 3 10uF 1. SW2. VIN. VOUT. VIN. FB. MODE/SYNC. VC. RT SGND. SHDN PGND. 6. R8. 7. 6.49K. 11 12 10. R9. 49.9K. C8 220pF R10. 5 150K. 13. 2. SW1. PGN D. VCC: 3V3~4.2V. 22uF 1.1M. LTC 3536. 圖 4-3 LTC3536 BOOST IC 線路圖. 4.4.1. LTC3536 IC 架構說明. LTC3536 是升降壓型直流轉換器[14]，輸入和輸出電壓可以從最低至 1.8V~5.5V 之間操作，且有內建場效電晶體 FET 開關，包含兩個 N 通道 MOSFET 及兩個 P 通道 MOSFET (導通阻抗分別為 0.06Ω 及 0.08Ω)以提供高達 95%之效率，並可以保持調節輸出電壓與輸入電壓之間的範圍可達到 +/-1% 的精準輸出，LTC3536 透過脈衝寬度調變(PWM)技術使其操作模式可達到連續轉換模式，切換頻率可自由設定於 300kHz 至 2MHz 間，並可同步於系統時脈，而達到最佳的效率，讓即使電池電壓降至低於輸出時，仍要求. 40.

(55) 維持恆定輸出電壓，能從鋰離子電池中提供穩定的輸出電流，在大部分情況下，此可提供比降壓穩壓器高 25%的電池續航力。當 MODE / SYNC 引腳強制為低電壓時，由外部振盪器驅動 LTC3536 工作，在固定頻率脈衝寬度調製（PWM）模式下，使用電壓模式控制迴路，這種運作模式可以透過直流電源轉換器提供最大的輸出電流，且可以降低放電壓波紋，並產生了一個低噪聲固定頻率開關（PWM），此演算法可以提供在連續模式下轉換，可以消除平均電感上的波紋電流。. 圖 4-4 LTC3536 方塊圖[14] 1. RT（引腳/Pin）：振盪器頻率編程輸入，從 RT 到 GND 連接一個電阻來編程，內部振盪器的頻率如下：. fOSC ( MHz) . 100 ( K ) RT. 41. ( 4-1 ).

(56) 2. 其中 RT 之後的阻抗是 KΩ 的等級，所以在 FOSC 時為 0.3MHz 和 2MHz 之間，當 Vin 啟動時內部設定 1.2MHz 的初始振盪器頻率。 3.. SGND（引腳/Pin）：PCB 接地面連接到 LTC3536，由高電流路徑做分隔用。. 4.. 保護地線（引腳/Pin）：電源地，必須將 PCB 和 IC 的電源的地連接在一起，在最短的距離之下，才會有最低阻抗連接成為可能。. 5.. FB（引腳/Pin）：偵測調整輸出電壓的功能，直流電源轉換器輸出電壓進行設定分壓電路連接到 FB，輸出電壓可調節從 1.8V 至 5.5V，電壓輸出設定公式如下：. VOUT  0.6(1 . RTOP )(V ) RBOT. ( 4-2 ). 6. VC（引腳/Pin）：為誤差放大器輸出，做為頻率補償元件的偵測，連接 VC 和 FB 之間提供直流電源轉換器的穩定運行。 7.. SHDN（引腳/Pin）：做為直流電源轉換器的開關用，當 SHDN 為高電位時，直流電源轉換器動作，當 SHDN 為低電位時，直流電源轉換器停止輸出。. 8.. VIN（引腳/Pin）：為直流電源轉換器的輸入電壓，在電源輸入旁邊需要接一低 ESR 的 10μF 或更大的旁路電容對接地連接。. 9.. VOUT（引腳/Pin）：為直流電源轉換器的輸出電壓，此為電源輸出的穩壓端，也需在電源輸出旁邊接一個低 ESR 的電容對接地連接，且電容盡量放在靠近該引腳與接地端之最短路徑上。. 10. SW1（引腳/Pin）：為切換開關引腳。連接 PCB 跡線電感以減少瞬間電壓和降低噪聲。. 42.

(57) 11. SW2（引腳/Pin）：切換開關引腳。連接 PCB 跡線電感以減少瞬間電壓和降低噪聲。 12. MODE/SYNC（引腳/Pin）: 為脈衝寬度調整與同步連續模式的選擇，當 MODE/SYNC 為高電位時此狀態為固定頻率模式；當 MODE/SYNC 為低電位時此狀態為突發模式適合操作在輕負載時的效率最高。. 4.4.2. LTC3536 IC 轉換效率. LTC3536 在做電源轉換時所需要的電壓與電流之的關係，影響了整個後續系統所呈現出的效率的高低，圖 4-5 為 LTC3536 在不同的輸入電壓與輸出電流時的轉換效率比較圖，在輸出電壓為 3.3V 的情況下，鋰離子電池所輸入的電壓分別為 3V、3.7V、4.2V 的同時，輸出電流假設在 0.1A 時的轉換效率都有 90%以上，倘若把輸出電壓提昇至 5V 時，在滿載的情況下輸出電流與輸入電壓的關係如圖 4-6 所示，若輸入的電壓分別為 3V 時，輸出電流大約消耗為 100mA 左右，在後面章節將有更進一步的實驗及介紹此 LTC3536 的轉換效能。. 43.

(58) 圖 4-5 LTC3536 在不同的輸入電壓與輸出電流時的轉換效率比較圖[14]. 圖 4-6 LTC3536 在滿載時不同的輸入電壓與輸出電流對應圖[14]. 44.

(59) 4.5 控制無線耳機的電池充電電路設計圖 4-7 為 MCP73833 Charger IC 線路圖，運用 MCP73833 Charger IC 對無線耳機的電池作充電的線路設計，VDD 為輸入電壓 5V，經 STAT1 跟 STAT2 的充電設定後，將對無線耳機之鋰離子電池(Single Li-ion cell )作充電，PROG 是做充電電流調節，PG 則是偵測充電啟動功能用，在其中 R3~R5 是做 LED 的限定電流用的電阻，R6 則是做溫度保護的電阻用，最後電容 C4 則是在做穩定電壓的功能。 VDD: 5V. LED. LED. U2. LED. C3. 1. 1uF. D1. D2. D3. 2 R3. 470R. R4. 470R. 3 4 5. MCP73833. VDD. VBAT. VDD. VBAT. STAT1. THERM. STAT2. PG(TE). VSS. PROG. R6. Single Li-lon Cell 10 9 8. C4 R5. BT1. 470R. 7. 1uF. 6. 1K. 圖 4-7 MCP73833 Charger IC 線路圖. 4.5.1. MCP73833 功能說明. MCP73833 是一個非常通用型的線性充電 IC[15]，採用恆定電流及恆定電壓之功能，且具有高準確的提前充電電壓調節演算法，可以穩定的管理電池電壓範圍至 1%以下，並具溫度監控及反向電壓保護功能，適合於鋰離子電池的設計，體積不大也非常適合可攜式產品上的應用。. 45.

(60) 圖 4-8 MCP73833 Charger IC 架構圖[15]. 46.

(61) 4.6 電池的充電方式電池的充電方式分別為，以下是各種充電法的優缺點比較[16]: 1.. 定電壓充電法:不會出現過大的充電電流，造成電池本體的損壞，但缺點是充電時間過長。. 2.. 定電流充電法:充電時間則比較快，但如果充電電流過大則容易傷害到電池本體。. 3.. 定電流-定電壓充電法:則結合了前兩種充電法，第一階段先以定電流充電，如此可縮短充電時間，可以較快得到所想要的電壓，第二階段再以定電壓充電，此時充電電流將隨時間增加而逐漸減少，可以彌補第一階段的虛充電，但還是必須花費較長時間來充電。. 4.. 脈衝式充電法:是目前比較多人研究的充電法，藉由中斷充電週期的充電電流，使電池內部的電解液產生化學反應，能夠獲得中和緩衝的效果，以降低電池在充電時所受的壓力，進而可以延長電池的循環使用壽命，其中藉由調整脈衝電流的大小，可降低充電所需的時間，這種充電法又能承受較大的充電電流，且又能降低充電時間。. 4.7 電池放電曲線介紹常見的可攜式裝置所使用的電池有一次性使用的乾電池，如碳鋅電池及鹼性電池；另外有多次性充電循環使用的充電池，如鋰電池、鎳鎘電池[2]、鎳氫電池等；首先觀察電池放電曲線如圖 4-9 所示[5]。不論乾電池或充電池，透過觀察其放電曲線，可以發現在大部份時間內其電池電壓都能維持在電池額定輸出電壓附近或略微下降一些的範圍內，只有在電池電量不足時(一般而言，低於電池總蓄電量的 10%)，其輸出電壓便會開始大幅下降，直到電量耗盡。雖然低電量時電池輸出電壓下降幅度大增，電池內部依然存在一定之電位儲 47.

(62) 存能，佷顯然此時電源轉換器若能工作，則可使產品享有更長的工作時間。目前一般可攜式產品都使用鋰離子電池居多，之所以用鋰離子電池的原因有較高的能量密度、較高的電池電壓、自放電率低、循環壽命較高等優點，且充電和維護簡單。本研究將利用手機上的鋰離子電池來做為電源管理的主電源，並將無線耳機整合在行動手機上，利用手機鋰離子電池經過電源升壓電路後，對無線耳機進行充電，同時達到節省能源及減少資源浪費。. 圖 4-9 電池放電曲線圖. 48.

(63) 第五章. 結果與討論. 5.1 實驗架設根據本研究所設計之提升電壓轉換效率電路的應用，接著我們要經由實驗來驗證此電路之可行性及效率提升之評估，圖 5-1 為測試實驗架構圖區分為以下幾個部分，首先是電源端可用手機電池或電源供應器來做為主要提供能量的總輸出，接著是 LTC3536 BOOST IC 的線路，將電源端的手機電池或電源供應器所提供的電源，透過 LTC3536 BOOST IC 線路轉換為無線耳機充電時的電壓源，接著是無線耳機本體(含充電線路由 MCP73833 Charger IC 所組成)，在串接一個電流表來量測無線耳機電池充電時所得到之電流值，最後在串上無線耳機的鋰離子電池，以上為本研究實驗架構之說明介紹。. 圖 5-1 測試實驗架構圖. 5.2 實驗結果實驗將用不同電壓的手機電池提供給 LTC3536 BOOST IC 做為電壓輸入，並量測記錄經圖 4-3 LTC3536 BOOST IC 的輸出端電壓，在由此電壓提供給圖 4-4 MCP73833 Charger IC 對無線耳機的電池作充電，並記錄無線耳機電池為 100mAH 時輸出電壓及輸入電流結果，如表 5-1 為無線耳機電池 (100mAH)在充電時的輸出電壓及輸入電流結果；在無線耳機電池電壓充電後，需經由無線耳機電池放電之實驗測試，來測試無線耳機電池是否有正常. 49.

(64) 有達到實際充電之容量，如表 5-2 為無線耳機電池(100mAH)在放電時的輸出電壓及輸入電流結果所示。表 5-1 無線耳機電池(100mAH)在充電時的輸出電壓及輸入電流結果手機電池電壓. LTC3536 BOOST IC 輸出電壓. 無線耳機電池充電電流. 無線耳機電池充電起始電壓. 無線耳機電池充電終止電壓. 3.8V. 5.1V. 50mA. 3.3V. 4.18V. 3.6V. 5.1V. 50mA. 3.3V. 3.91V. 3.3V. 5.1V. 50mA. 3.3V. 3.74V. 表 5-2 無線耳機電池(100mAH)在放電時的輸出電壓及輸入電流結果手機電池電壓. 無線耳機電池放電起始電壓. 無線耳機電池充電電流. 無線耳機電池放電終止電壓. 3.8V. 4.14V. 50mA. 3.29V. 3.6V. 3.79V. 50mA. 2.89V. 3.3V. 3.64V. 50mA. 2.9V. 當手機電池電壓為 3.8V 時，經過圖 4-3 及圖 4-4 的線路圖後，用來充無線耳機 100mAH 的電池，此時並量測無線耳機的電池充電電壓的變化，圖 5-2 為手機電池為 3.8V 時對無線耳機電池(100mAH)充電的電壓曲線圖與數據值，利用手機電池電壓為 3.8V 可以將無線耳機 100mAH 的電池電壓起始為 3.3V 充電至 4.18V，並由輸入電流 50mA 的充電電流對無線耳機的電池充電，將無線耳機電池電壓充電至 4.18V。在無線耳機電池電壓充電至 4.18V 後，需測試無線耳機電池是否有正常有達到電池之容量，所以在經由無線耳機電池放電之實驗測試，如圖 5-3 為 50.

(65) 手機電池為 3.8V 時對無線耳機電池(100mAH)在充飽後的放電電壓曲線圖與數據值，當無線耳機電池在充飽後的放電電壓由 4.14V 放電至 3.29V，透過電子式負載器來設定放電電流值，設定 50mA 為放電電流對無線耳機的電池進行放電，將無線耳機電池電壓放電至 3.29V 後，由此來驗證此電池實際之容量達到正常狀態。 CH1: 為無線耳機電池電壓曲線 CH3: 為 LTC3536 BOOST IC 輸出電壓曲線 CH5: 為手機電池電壓曲線 Cursor A: 實驗起始值 Cursor B: 實驗終止值. 51.

(66) (a). (b) 圖 5-2 手機電池為 3.8V 時對無線耳機電池(100mAH)充電的電壓(a)曲線圖 (b)數據值. 52.

(67) (a). (b) 圖 5-3 手機電池為 3.8V 時對無線耳機電池(100mAH)在充飽後的放電電壓(a) 曲線圖 (b)數據值. 53.

(68) 當手機電池電壓為 3.6V 時，經過圖 4-3 及圖 4-4 的線路圖後，用來充無線耳機的電池，此時並量測無線耳機 100mAH 電池的充電電壓的變化，圖 5-4 為手機電池為 3.6V 時對無線耳機電池(100mAH)充電的電壓曲線圖與數據值，利用手機電池電壓為 3.6V 可以將無線耳機為 100mAH 的電池電壓起始為 3.3V 充電至 3.91V，並由輸入電流 50mA 的充電電流對無線耳機的電池充電，將無線耳機電池電壓充電至 3.91V。在無線耳機電池電壓充電至 3.91V 後，需測試無線耳機電池是否有正常有達到電池之容量，所以在經由無線耳機電池放電之實驗測試，如圖 5-5 為手機電池為 3.6V 時對無線耳機電池(100mAH)在充飽後的放電電壓曲線圖與數據值，當無線耳機電池在充飽後的放電電壓由 3.79V 放電至 3.3V，透過電子式負載器來設定放電電流值，設定 50mA 為放電電流對無線耳機的電池進行放電，將無線耳機電池電壓放電至 3.3V 後，由此來驗證此電池實際之容量達到正常狀態。 CH1: 為無線耳機電池電壓曲線 CH3: 為 LTC3536 BOOST IC 輸出電壓曲線 CH5: 為手機電池電壓曲線 Cursor A: 實驗起始值 Cursor B: 實驗終止值. 54.


(70) (a). (b) 圖 5-5 手機電池為 3.6V 時對無線耳機電池(100mAH)在充飽後的放電電壓(a) 曲線圖 (b)數據值. 56.

(71) 當手機電池電壓為 3.3V 時，經過圖 4-3 及圖 4-4 的線路圖後，用來充無線耳機的電池，此時並量測無線耳機為 100mAH 電池的充電電壓的變化，圖 5-6 為手機電池為 3.3V 時對無線耳機電池(100mAH)充電的電壓曲線圖與數據值，利用手機電池電壓為 3.3V 可以將無線耳機為 100mAH 的電池電壓起始為 3.29V 充電至 3.74V，並由輸入電流 50mA 的充電電流對無線耳機的電池充電，將無線耳機電池電壓充電至 3.74V。在無線耳機電池電壓充電至 3.74V 後，需測試無線耳機電池是否有正常有達到電池之容量，所以在經由無線耳機電池放電之實驗測試，如圖 5-7 為手機電池為 3.3V 時對無線耳機電池(100mAH)在充飽後的放電電壓曲線圖與數據值，當無線耳機電池在充飽後的放電電壓由 3.64V 放電至 3.29V，透過電子式負載器來設定放電電流值，設定 50mA 為放電電流對無線耳機的電池進行放電，將無線耳機電池電壓放電至 3.29V 後，由此來驗證此電池實際之容量達到正常狀態。 CH1: 為無線耳機電池電壓曲線 CH3: 為 LTC3536 BOOST IC 輸出電壓曲線 CH5: 為手機電池電壓曲線 Cursor A: 實驗起始值 Cursor B: 實驗終止值. 57.


(73) (a). (b) 圖 5-7 手機電池為 3.3V 時對無線耳機電池(100mAH)在充飽後的放電電壓 (a)曲線圖 (b)數據值此 3.3V 為鋰離子電池的臨界電壓，因手機電池電壓低於 3.3V~3.0V 時，手機會強制關機，以保護電池本身電壓降至最下限 3.0V 以下，將導致破壞鋰離子電池本身的蓄電功能。. 59.

(74) 一般手機的鋰離子電池電壓範圍，在滿電壓時為 4.2V 左右，當電力完全耗盡時的電壓為 3.0V 左右；以手機電池電壓為臨界 3.3V 的狀態來分析，可讓無線耳機電池充電後所得到的電壓值為 3.71V，圖 5-8 為一般鋰離子電池放電曲線電壓圖 [8](以 1000mAH/1C 的條件下所示 )，在不同放電條件下，所放電容量及結果會有些許的不同，一般而言以放電條件 1C 來舉例( 本文提及的‘C’是一個電池術語，用於指示電池製造商規定的電池放電容量單位是 mAH。例如，一個額定 1000mAH 的電池可以為一個 1000mA 負載供電一小時，之後電池電壓才會降至零容量電壓[7])，由圖 5-8 所示鋰離子電池容量 3.6V~3.3V 的區間，至少還有 20%以上的電池容量可以提供給無線耳機使用，這就表示當手機電池電壓將降至最差的情況，仍然足夠可以提供給無線耳機作充電使用，確保在手機有電的前提下，無線耳機不會有無電可充之疑慮，若放電電壓超過最下限值時，則會破壞原有鋰離子電池的特性，在短時間內對放電過程影響雖然不會太大，但以長時間使用就會造成嚴重的電池容量衰退和壽命減短的現象[8]，所以要設置鋰離子電池的臨界電壓的原因，也就是要保護電池本身電壓降至最下限 3.0V 以下，將導致破壞鋰離子電池本身的蓄電功能。. 圖 5-8 鋰離子電池放電曲線電壓圖 [8] 60.