便攜式電源系統(tǒng)的設計

劉鵬飛

摘要：便攜式電源作為可移動電子設備必須能源，其容量大小和能耗高低也越來受關注。本文將從實用和安全的角度出發(fā)，系統(tǒng)設計了一種便攜式電源。經(jīng)實驗證明，符合實際使用要求，具有廣闊的市場前景。

關鍵詞：便攜電源設計

0 引言

現(xiàn)在，市場上可移動的電子設備越來越多，設備的電源容量和功耗卻遠遠不能滿足市場的要求，對日常生活，特別是戶外活動造成諸多不便。為此，本文設計了一種高效、低功耗、安全的隨身電源，以滿足戶外需求，將有很大的實用價值。該系統(tǒng)設計由五部分組成：鋰芯容量指示電路、電芯保護電路、充電管理電路、DC-DC升壓電路。鋰芯容量指示電路由XC61CC系列的電壓監(jiān)控芯片組成。電芯保護電路由過充保護、過放保護、過溫保護三部分組成，HAT2027、R5402、自恢復保險絲構(gòu)建了三重保護，使鋰芯安全性大大增強。充電管理電路采用了CN3066，將充電過程分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和維護充電四個部分，使移動隨身電源能夠最大程度地儲備能量。DC-DC升壓電路采用了MAX1771集成芯片，可將鋰芯容量在安全范圍內(nèi)最大限度釋放，達到對多種數(shù)碼設備供電的目的。

1 電路工作原理

1.1 鋰芯保護電路 如圖1所示，電芯保護電路主要由R5402和HAT2027共同組成。除此之外，自恢復保險絲起到了最后一層保護的作用。

充電時，電池電壓從低到高上升，當電池電壓大于4.25V時，充電狀態(tài)被鎖存，引腳Cout就會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。如果充電電源繼續(xù)加載在鋰芯電池組兩端，即使鋰芯電壓在4.25V以下，R5402具有的過充鎖存狀態(tài)也不會被釋放。這樣就保證了電池組在連續(xù)充電飽和之后，能鎖存在過充狀態(tài)，隔離充電電源對高能量電池組持續(xù)充電。只有當過充時，斷開充電電源，過充鎖存狀態(tài)才會被釋放，Cout重新變?yōu)楦唠娖?，HAT2027的1、3引腳此時雙向?qū)ǎ囆静拍苷９ぷ?。放電時，電池電壓下降，當小于2.3V時，放電狀態(tài)被鎖存，引腳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?。電流方向只能?腳到1腳，鋰芯電池組無法繼續(xù)給負載放電。如果沒有接上充電電源，即使鋰芯電壓高于過放電壓的最大值，放電鎖存狀態(tài)也不會被釋放，這就保證了電池組在經(jīng)過長時間放電，電壓下降到2.3V之后，能鎖存在過放狀態(tài)，隔離低能量電池組持續(xù)放電。只有當過放時，接上充電電源，鋰芯電壓開始高于過放電壓時，過放鎖存狀態(tài)才會被釋放，同時引腳Dout的電壓重新變?yōu)楦唠娖?，HAT2027的1、3引腳雙向?qū)?，鋰芯既能工作在放電狀態(tài)，又能工作在充電狀態(tài)。當鋰芯短路時，Dout跳到低電平。此時，鋰芯受HAT2027控制無法放電，起到保護鋰芯作用。與此同時，自恢復保險絲由于短路的大電流，會受熱膨脹，電路切斷，起到最后一層保護的作用。當短路故障排除，白恢復保險絲恢復，R5402檢電器釋放，Dout重新恢復高電平。

1.2 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，負載小的情況下效率較高，但紋波較大。后者在負載大的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，同時在較大負載的情況下，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尺寸。如圖2所示，將4腳接地，可使其工作在閉環(huán)狀態(tài)。芯片由引腳2上的電壓供電，同時也是輸出電壓。輸入電壓可以進行從2V到輸出電壓的變化。外接MOS管柵極1腳上的電壓，從輸出電平到零電平跳變，這樣可以提供更人的柵極驅(qū)動，從而減小外接MOS管的開啟電阻。MAX1771外接MOS管平時是關閉的，此時電感儲能。關閉期間，MAX1771會檢測外部輸入電壓，一旦降低到了一定限度，MAX1771就會開啟外部MOS管，電感釋放能量，重新提供驅(qū)動電壓。開關頻率隨負載電流和輸入電壓而定。5V電壓通過兩個反饋電阻分壓得到。此外，續(xù)流二極管選用肖特基二極管SS34，該器件正向?qū)妷盒?，響應時間短。

1.3 鋰芯容量指示電路 本系統(tǒng)電路設計采用了一種比較簡單且實用的方法，即通過測試鋰芯電池放電的時間電壓特性曲線，選取整個放電過程的四個位點電壓，用電壓來估算電池的容量。當按下電壓容量指示的功能按鍵，鋰芯的電池電壓會加到XC61系列芯片的VIN與VSS引腳上。當電壓高丁4.1V，四個芯片同時工作，電池與限流電阻、LED發(fā)光管形成四個回路。此時四個發(fā)光管同時發(fā)亮，表示電池容量飽和。當電池電壓在4.1V～3.8V之間，只有三個芯片工作，4102不工作，此時形成三個回路，三個發(fā)光管發(fā)亮，表示電池容量有所下降。同理可知其它的兩種情況。

1.4 充電管理電路 充電管理電路由CN3066和繼電器構(gòu)成。當隨身電源監(jiān)測到有充電器對其充電時，繼電器令CN3066開始工作，CN3066將整個充電管理過程分為四個部分，即預充電、恒流充電、恒壓充電以及維護充電。

當CN3066開始工作時，CN3066會檢測電池電壓是否較低，如果是，則采用涓流充電，即一個比較小的恒定電流對電池進行充電，直至電池電壓上升到一個安全值。之后，充電電流保持較大值不變，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。在恒流充電和涓流充電狀態(tài)下，充電管理芯片連續(xù)監(jiān)控電池的電壓，當單節(jié)鋰電池的電壓達到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。當鋰芯的電流下降為原來的1／10之后，恒壓充電狀態(tài)結(jié)束。在維護充電狀態(tài)，電池充足電后，若移動電源仍插在充電器上，電池會由于自放電而損失電量。CN3066以非常小的電流對鋰芯充電或監(jiān)測電池電位，以備對鋰芯再充電，這種狀態(tài)稱為維護充電狀態(tài)。

在本電路中，CN3066會實時監(jiān)測鋰芯的電壓、溫度、充電電流和充電時間。一旦電池的溫度達到60℃，或鋰離子電池的電壓達到4.2V，恒壓充電狀態(tài)自動終止。此外，還應設置最長恒壓充電時間。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。當拔掉充電器，CN3066關閉，隨身電源處于預放電狀態(tài)。

實驗結(jié)果證明，多功能隨身電源能對市面上大多數(shù)手機連續(xù)充電5次以上，對MP3、MP4充電12次以上，表明隨身電源在戶外活動中有充足的能量儲備。

2 結(jié)語

本系統(tǒng)方案設計將多功能、低功耗、安全性、高容量、重量輕等諸多特點整合在一起，使整個產(chǎn)品的設計符合實際使用要求，具有廣闊的市場前景。該方案科學縝密地排除了鋰芯在使用過程中出現(xiàn)的各種安全隱患。