解讀低功耗移動(dòng)電源系統(tǒng)硬件電路

移動(dòng)電源是一種采用可充電電池作為儲(chǔ)電單元，通過(guò)升壓或者降壓的方式輸出能量，可以通過(guò)用電器直流電源輸入接口直接對(duì)用電器供電或者充電，以達(dá)到為便攜式電子產(chǎn)品續(xù)航的目的。移動(dòng)電源的基本構(gòu)成一般由可充電電池、升壓或降壓電路、充電管理電路、電池保護(hù)電路、控制電路等組成，基本架構(gòu)示意圖如圖1所示。

從移動(dòng)電源的基本構(gòu)架上看，可以把移動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為電池和電路保護(hù)板。電池的材料、體積、容量等都直接影響移動(dòng)電源的質(zhì)量。目前手機(jī)等隨身攜帶的電子產(chǎn)品移動(dòng)電源的電芯多為聚合物電池。新一代的聚合物電池的聚合物化程度很高，所以可做到面積任意化和形狀任意化、薄形化。而且.聚合物電池的單位能量比一般鋰電池的單位能量提高了50%.其容量、安全性、充放電特性、工作環(huán)境、使用壽命以及環(huán)保性能等方面都較一般鋰電池有大幅度的改善。電路保護(hù)板是移動(dòng)電源的主要電路設(shè)計(jì).對(duì)移動(dòng)電源的性能及安全性的影響很大。該電路板主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電、放電管理，以及對(duì)電池的保護(hù)。如果失去了對(duì)電池的保護(hù)，移動(dòng)電源將成為隨時(shí)會(huì)燃爆的手雷。移動(dòng)電源使用的電池電壓一般都在2.7～4.2 V，電壓隨著電量的下降而下降，而2.7～4.2 V的電壓是不能直接給其它數(shù)碼產(chǎn)品充電或供電的，所以移動(dòng)電源要向外輸出電能必須有升壓控制電路。由于采用聚合物電池作為移動(dòng)電源的初始儲(chǔ)能，當(dāng)儲(chǔ)能用完，就要補(bǔ)充，因此聚合物鋰電池必須有充電控制電路。

單片機(jī)控制電路

SN8P2711A是一個(gè)擁有RISC-1ike的高性能和低功耗系統(tǒng)，價(jià)格非常便宜，引腳相對(duì)較少，廣泛應(yīng)用于小家電、溫度測(cè)量、高端智能型充電器、開(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)選用SN8P27llA單片機(jī)作為移動(dòng)電源的控制系統(tǒng)。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

該控制電路主要完成采集電壓、控制充放電的工作狀態(tài)、電量指示等功能。開(kāi)關(guān)s1實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的打開(kāi)與關(guān)閉。四個(gè)發(fā)光二極管用來(lái)指示充放電狀態(tài)下的電量。P4.0口連接升壓電路輸出端控制信號(hào)ON/OFF?？刂粕龎弘娐肥欠褫敵龅截?fù)載。P4.1連接升壓芯片S8355的開(kāi)關(guān)控制端子ON/OFFl，控制芯片進(jìn)行啟動(dòng)或者停止升壓工作。P4.2口采集輸出電壓.將接收到的采樣電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，檢測(cè)輸出負(fù)載電壓是否正常。P4.3和P4.4口采集聚合物電池電壓和電流信號(hào)，將接收到的采樣電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。檢測(cè)輸出負(fù)載電壓是否正常。P0.0口先檢測(cè)外界是否有輸入電壓，然后控制充電電路是否工作。P0.4口作為檢測(cè)指示充滿(mǎn)電的信號(hào)，當(dāng)聚合物電池充滿(mǎn)電時(shí)，AP5056的STDBY端口輸出低電平信號(hào)，送到P0.4口檢測(cè)，檢測(cè)到低電平，控制P0.0口輸出低電平，從而使AP5056處于休眠狀態(tài)，停止充電。由于該單片機(jī)采用內(nèi)部聚合物電池供電，在充放電過(guò)程中電壓不穩(wěn)定，為了保證單片機(jī)的供電穩(wěn)定，采用Xc62063低壓差大電流穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓。

電池充電管理電路

充電管理電路采用芯片AP5056，該芯片可以對(duì)聚合物鋰電池進(jìn)行恒流/恒壓充電，外圍只需接極少的元器件，可以適應(yīng)USB電源和適配器電源工作，非常適用于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域舊。充電輸出電壓為4.2 V.充電電流可以通過(guò)一個(gè)外部電阻設(shè)置。在恒壓充電階段，當(dāng)充電電流降至設(shè)定值1/10時(shí)，AP5056將終止充電循環(huán)。其它功能包括輸入電壓掉電自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式、電壓輸入過(guò)低鎖存、芯片使能控制輸人、自動(dòng)再充電、充放電狀態(tài)指示以及電池溫度監(jiān)控等功能。充電管理電路如圖4所示，CE引腳輸入連接單片機(jī)的P0.0端口，當(dāng)CE為高電平時(shí)，AP5056開(kāi)始工作實(shí)現(xiàn)聚合物電池的充電，當(dāng)CE端為低電平時(shí)，AP5056處于休眠狀態(tài)，停止充電。STDBY引腳為輸出端，輸出低電平有效，指示電池是否充滿(mǎn)，連接到單片機(jī)的P0.4引腳。

DC—DC升壓電路

升壓電路采用S-8355芯片，S-8355是一種由基準(zhǔn)電壓源、振蕩電路、誤差放大器、相位補(bǔ)償電路、PWM控制電路等構(gòu)成的CMOS升壓DC控制器。通過(guò)使用外接低通態(tài)電阻N溝道功率MOS，即可適用于需要高效率、高輸出電流的應(yīng)用電路上，外圍電路如圖5所示。

輸入電壓為聚合物電池供電電壓，晶體管Q1為開(kāi)關(guān)管，電感L1和電容C5組成濾波電路，SD為續(xù)流二極管。Q1管的工作狀態(tài)受S-8355的EXT端子控制，當(dāng)EXT為高電平時(shí)，Q1飽和導(dǎo)通，BAT+通過(guò)Q1給電感L1充電儲(chǔ)能，充電電流幾乎線(xiàn)性增大，SD因承受反壓而截止，濾波電容c5對(duì)負(fù)載電阻放電;當(dāng)ExT為低電平時(shí)，Q1截止，L1產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向阻止電流的變化，因?yàn)榕cBAT+同方向，兩個(gè)電壓相加后通過(guò)二極管sD對(duì)c5充電。因此，無(wú)論Ql和sD的狀態(tài)如何，負(fù)載電流方向始終不變。只有當(dāng)L1足夠大時(shí)，才能升壓;并且只有當(dāng)C5足夠大時(shí)，輸出電壓的脈動(dòng)才可能足夠小;當(dāng)ExT的周期不變時(shí)，占空比越大，輸出電壓將越高。電路中FB為電壓調(diào)整端，信號(hào)取自輸出負(fù)反饋穩(wěn)壓電路，控制升壓芯片達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。升壓電路還包含輸出控制電路，由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Q2和Q3構(gòu)成一個(gè)開(kāi)關(guān)控制電路。這個(gè)開(kāi)關(guān)電路的控制信號(hào)0N/OFF來(lái)自單片機(jī)的P4.0端子。當(dāng)P4.0為高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，Q2截止，升壓電路的輸出電壓可以輸出到負(fù)載，否則輸出與負(fù)載斷開(kāi)。

電池保護(hù)電路

該電路主要由鋰電池保護(hù)專(zhuān)用集成電路S-8261和控制充放電的MOsFET管等部分組成，電路如圖6所示。在充電過(guò)程中，當(dāng)電池的電壓超過(guò)4.35 v時(shí)，專(zhuān)用集成電路S-8261的C0腳輸出信號(hào)使充電控制Q5截止，鋰電池立即停止充電，從而防止鋰電池因過(guò)充電而損壞;放電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓降到2.3 v時(shí).S-8261的D0引腳輸出信號(hào)使放電控制Q4截止，聚合物鋰電池立即停止放電，以防止聚合物鋰電池過(guò)度放電。S-8261的VM引腳為電流檢測(cè)端。輸出短路時(shí)，Q4、Q5的導(dǎo)通壓降劇增，使得VM引腳電壓立即升高，從而控制s-8261輸出信號(hào)使Q4、Q5立即截止，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)電流或短路保護(hù)。

采樣反饋穩(wěn)壓控制電路

采樣反饋穩(wěn)壓控制電路如圖7所示，其中采樣電路采用電阻分壓方式，運(yùn)放LM358($0.0737)構(gòu)成同相比例放大電路，其輸出信號(hào)連接到升壓芯片的電壓調(diào)整控制端FB，從而控制升壓電路內(nèi)部調(diào)整輸出電壓，達(dá)到輸出電源穩(wěn)定。

軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)要使整個(gè)電路穩(wěn)定有序工作，因此必須考慮各個(gè)單元電路的工作原理和整個(gè)時(shí)序要求。該移動(dòng)電源的工作原理是：當(dāng)外接有5 V電源輸入時(shí)，單片機(jī)控制AP5056給鋰電池充電，此時(shí)中斷移動(dòng)電源輸出模塊;當(dāng)按鍵1 s鍵人后，電池電壓采樣發(fā)送給單片機(jī)SN8P27ll經(jīng)過(guò)處理控制LEDl、LED2、LED3、LED4工作;當(dāng)鍵人3 s后單片機(jī)控制升壓電路停止或者開(kāi)啟電源的輸出，主程序流程圖如圖8所示。

編輯點(diǎn)評(píng)：

通過(guò)分析移動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)電源的性能優(yōu)劣取決于儲(chǔ)能介質(zhì)、轉(zhuǎn)換效率和兼容性，儲(chǔ)能介質(zhì)由聚合物電池決定，轉(zhuǎn)換效率取決于電路板設(shè)計(jì)，輸出方式?jīng)Q定兼容性。本文設(shè)計(jì)了一款以低功耗的單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)的Dc-Dc升壓方式的移動(dòng)電源，各組成單元電路采用目前技術(shù)較為成熟的集成芯片，簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)性?xún)r(jià)比高，攜帶方便，操作簡(jiǎn)便，具備一定的兼容性，能為各種智能手機(jī)、MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品提供外置電源。