多功能隨身電源系統(tǒng)方案

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作者：南開大學(xué)信息學(xué)院鄭翔鵬張福海陳翠瑩王權(quán) 王添翼時(shí)間：2007-12-30 來源：電子產(chǎn)品世界

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　　摘要：本文設(shè)計(jì)了一種高效、低功耗的多功能隨身電源。該設(shè)備作為電源儲(chǔ)備，為手機(jī)、mp3、mp4等電子設(shè)備提供多次、充足的電能。此外，該設(shè)備還能適應(yīng)戶外活動(dòng)幾種常見的需要。

　　關(guān)鍵詞：隨身電源;移動(dòng)設(shè)備;鋰離子電池

　　引言

　　現(xiàn)在市場上，便攜式電子設(shè)備越來越多，但此設(shè)備的電池容量和功耗卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足市場的要求，對日常生活特別是戶外生活造成諸多不便。為此，制作多功能、高效、低耗、安全的隨身電源，以滿足戶外需求，將有很大的實(shí)用價(jià)值。

　　鋰離子電池具有體積小、重量輕、比能量高、壽命長、可快速充電等優(yōu)點(diǎn)。相較于其它類型的電池而言，具有明顯優(yōu)越的綜合性能。鋰離子電池的高效快速充電將成為一種趨勢。另外，它的特點(diǎn)決定了它要求有性能完備、安全可靠的充電管理電路。隨著人們?nèi)粘Ｍ獬龌顒?dòng)的頻繁，多功能大容量的移動(dòng)電源將會(huì)成為市場開發(fā)的另一個(gè)主要的方向。

　　根據(jù)以上的趨勢，本文設(shè)計(jì)了一種高效、低功耗、高容量、安全可靠、可行性高的隨身電源電路的設(shè)計(jì)。

　　多功能隨身電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，本文論述的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)由五部分組成：鋰芯容量指示電路、鋰芯保護(hù)電路、充電管理電路、DC-DC升壓電路和功能擴(kuò)展電路。鋰芯容量指示電路由日本理光公司XC61CC系列的電壓監(jiān)控芯片組成。鋰芯保護(hù)電路由過充保護(hù)、過放保護(hù)、過溫保護(hù)、過流四重保護(hù)組成。充電管理電路采用了上海如韻的CN3066芯片，將充電過程分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和維護(hù)充電四個(gè)部分，使移動(dòng)隨身電源能夠最大程度地儲(chǔ)備能量。DC-DC升壓電路采用了美信公司的MAX1771集成芯片，可將鋰芯容量在安全范圍內(nèi)最大限度釋放，達(dá)到對多種數(shù)碼設(shè)備供電輸出的目的。功能擴(kuò)展涵蓋了戶外活動(dòng)所能涉及的常見需求，具有應(yīng)急夜間高亮照明、戶外防盜安全警報(bào)，野營驅(qū)蚊等功能，人性化的功能使產(chǎn)品更具創(chuàng)新特色并開闊了產(chǎn)品將來的應(yīng)用市場前景。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

　　多功能隨身電源的電路實(shí)現(xiàn)

　　鋰芯保護(hù)電路

　　如圖2所示，鋰芯保護(hù)電路主要由理光公司R5402芯片和日立公司HAT2027 MOS場效應(yīng)集體管共同組成。除此之外，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲起到了最后一層保護(hù)的作用。

圖2 鋰芯保護(hù)電路

　　R5402是一種高精度鋰芯電池電壓保護(hù)用的CMOS芯片。HAT2027是電流流通方向可調(diào)的雙MOS器件。

　　充電時(shí)，電池電壓從低往高上升，當(dāng)電池電壓大于4.25V時(shí)，充電狀態(tài)被鎖存，管腳COUT就會(huì)從高電平跳為低電平，HAT2027內(nèi)置二極管發(fā)揮單向?qū)ㄗ饔谩ｋ娏鞣较蛑荒軓?腳到3腳。充電電源無法繼續(xù)給鋰芯充電。只有當(dāng)過充時(shí)，斷開充電電源，過充鎖存狀態(tài)才會(huì)被釋放，COUT重新變?yōu)楦唠娖?，HAT2027的1、3管腳此時(shí)雙向?qū)?，鋰芯才能正常工作?/P>

　　放電時(shí)，電池電壓從高往低下降，當(dāng)電池電壓小于2.3V時(shí)，放電狀態(tài)被鎖存，管腳DOUT的輸出從高電平跳為低電平，HAT2027內(nèi)置二極管發(fā)揮單向?qū)ㄗ饔谩ｋ娏鞣较蛑荒軓?腳到1腳。鋰芯電池組無法繼續(xù)給負(fù)載放電。只有當(dāng)過放時(shí)，接上充電電源，當(dāng)鋰芯電壓開始高于過放電壓時(shí)，過放鎖存狀態(tài)就會(huì)被釋放，同時(shí)管腳DOUT的電壓重新變?yōu)楦唠娖?，HAT2027的1、3管腳雙向?qū)?，鋰芯既能工作在放電狀態(tài)又能工作在充電狀態(tài)。

　　當(dāng)鋰芯短路時(shí)，DOUT跳到低電平。此時(shí)，鋰芯受HAT2027控制無法放電，起到鋰芯保護(hù)作用。與此同時(shí)，短路的大電流使自恢復(fù)保險(xiǎn)絲受熱膨脹，電路切斷，起到最后一層保護(hù)作用。當(dāng)短路故障排除，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲恢復(fù)，R5402檢電器釋放，DOUT重新恢復(fù)高電平。

　　該電路還增設(shè)了“休眠”的功能，以及瞬時(shí)監(jiān)控功能。設(shè)計(jì)時(shí)，在鋰芯負(fù)極取一個(gè)電壓接到R5402的V管腳，內(nèi)置檢電器的延時(shí)可以減少大概1/57秒。因此，可以監(jiān)測電池容量瞬時(shí)狀態(tài)。

　　DC-DC升壓電路

　　本系統(tǒng)中，DC-DC升壓電路主要由MAX1771構(gòu)成，該控制器采用獨(dú)特的控制方案，結(jié)合PFM(脈沖頻率調(diào)制)及PWM(脈沖寬度調(diào)制)的優(yōu)越性，提供一個(gè)高效、較寬電壓調(diào)節(jié)范圍的電源。前者具有較小的靜態(tài)電流，輕載情況下效率較高，但紋波較大。后者在重載情況下具有較高的效率，噪聲小。該控制器采用的是一種改進(jìn)型的限流PFM控制方式，控制電路限制電感充電電流，使其不超過某一峰值電流。既保持了傳統(tǒng)PFM的低靜態(tài)電流，同時(shí)在較重負(fù)載下也具有很高的效率，而且由于限制了峰值電流，采用很小體積的外圍元件就可獲得滿意的輸出紋波，這樣便于降低電路成本及電路的尺寸。

　　如圖3所示，將4管腳SHDN接地，可使其工作在閉環(huán)狀態(tài)。芯片由2管腳上的電壓供電，同時(shí)也是輸出電壓。輸入電壓可以從2V到輸出電壓變化。外接MOS管柵極的1管腳上的電壓從輸出電壓到零電平跳變，這樣可以提供更大的柵極驅(qū)動(dòng)，從而減小外接MOS管的開啟電阻。

圖3 DC-DC升壓電路設(shè)計(jì)

　　MAX1771的外接MOS管平時(shí)是關(guān)閉的，此時(shí)電感儲(chǔ)能。關(guān)閉期間MAX1771會(huì)檢測外部輸入電壓，一旦降低到了一定限度，MAX1771就會(huì)開啟外部MOS管，電感釋放能量，重新提供驅(qū)動(dòng)電壓。開關(guān)頻率隨負(fù)載電流和輸入電壓而定。5V電壓通過兩個(gè)反饋電阻分壓得到。

　　此外，整流二極管選用肖特基二極管SS34，該器件正向?qū)妷盒?，響?yīng)時(shí)間快。

　　鋰芯容量指示電路

　　電池容量應(yīng)該以電流對時(shí)間的積分即毫安時(shí)來度量,有專門的芯片能夠勝任，但成本較高。而在本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，采用了一種比較簡單而且實(shí)用的方法，即通過測試鋰芯電池放電時(shí)的電壓時(shí)間特性曲線，選取整個(gè)放電過程的四個(gè)位點(diǎn)電壓，用電壓來估算電池的容量。電壓指示電路選用了日本特瑞仕公司的XC61系列芯片。

　　如圖4所示，當(dāng)按下電壓容量指示的功能按鍵，鋰芯的電池電壓會(huì)加到XC61系列芯片的VIN與VSS管腳上。當(dāng)電壓高于4.1V，四個(gè)芯片同時(shí)工作，電池與限流電阻、LED形成四個(gè)回路。此時(shí)四個(gè)LED同時(shí)發(fā)亮，表示電池容量飽和。當(dāng)電池電壓在4.1V到3.8V之間，只有三個(gè)芯片工作，三個(gè)LED發(fā)亮，表示電池容量有所下降。同理可知其它的兩種情況。

圖4 鋰芯容量指示電路

　　充電管理電路

　　充電管理電路由CN3066和繼電器構(gòu)成，如圖5所示，當(dāng)隨身電源監(jiān)測到有充電器對其充電時(shí)，繼電器令CN3066開始工作，CN3066將整個(gè)充電管理過程應(yīng)該分為四個(gè)部分，即預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電以及維護(hù)充電。

圖5 充電管理電路及其充電過程

　　當(dāng)CN3066開始工作時(shí)，CN3066會(huì)檢測電池電壓是否較低，如果是則采用涓流充電，直至電池電壓上升到一個(gè)安全值。之后，充電電流保持不變的較大值，通常是涓流充電電流的10倍或更大。1000mAh的電池采用700mA電流充電。這可以避免大電流充電對鋰芯的損壞。充電管理芯片連續(xù)監(jiān)控電池的電壓，當(dāng)單節(jié)鋰電池的電壓達(dá)到4.2V，恒流充電狀態(tài)結(jié)束，轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)。在該狀態(tài)下，充電電壓恒定在4.2V。當(dāng)鋰芯的電流下降為原來1/10之后，恒壓充電狀態(tài)結(jié)束。維護(hù)充電狀態(tài)是在電池充足電后，若移動(dòng)電源仍插在充電器上，電池會(huì)由于自放電而損失電量。CN3066以非常小的電流對鋰芯充電或是監(jiān)測電池電位以備對鋰芯再充電，這種狀態(tài)稱為維護(hù)充電狀態(tài)。

　　在本電路中，CN3066會(huì)時(shí)時(shí)監(jiān)測鋰芯的電壓、溫度、充電電流和充電時(shí)間。一旦電池的溫度達(dá)到60℃或者鋰離子電池的電壓達(dá)到4.2 ，恒壓充電狀態(tài)自動(dòng)終止。此外，還應(yīng)設(shè)置最長恒壓充電時(shí)間。在溫度和電壓檢測失敗的情況下，可以保證鋰電池安全充電。當(dāng)撤離充電器，CN3066關(guān)閉，隨身電源處于預(yù)放電狀態(tài)。

　　多功能擴(kuò)展電路

　　高亮照明功能

　　戶外活動(dòng)時(shí)，特別是夜間活動(dòng)，極需一個(gè)高亮的光源。在USB接口輸出的5V電壓使高亮度LED工作，獲得5米內(nèi)的照明光程。

　　當(dāng)按下預(yù)報(bào)警功能健時(shí)，USB輸出電壓加載在報(bào)警電路上，水銀開關(guān)偏移正常的斷開位置，接通KD9561音樂片，發(fā)出報(bào)警響聲。

　　野外驅(qū)蚊功能

　　由555運(yùn)放芯片產(chǎn)生振蕩頻率22KHz，再由555芯片單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈沖50Hz，合成占空比為50%的振蕩輸出。

　　電路測試

　　鋰芯充放電曲線，如圖6和圖7所示。

圖6 鋰芯充電曲線

圖7 鋰芯放電曲線

　　DC-DC放電曲線如圖8所示，隨身電源連續(xù)放電的總能量在2200mAh以上，輸出穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，多功能隨身電源能對市面上大多數(shù)手機(jī)連續(xù)充電5次以上，對MP3、MP4充電12次以上，使隨身電源在戶外活動(dòng)中能夠有充足的能量儲(chǔ)備。