能存儲(chǔ)信息的移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

文/沈紅雷

能存儲(chǔ)信息的移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

文/沈紅雷

電子信息化時(shí)代的到來，智能手機(jī)已經(jīng)普及，使移動(dòng)電源成為必備，但因其體積相對(duì)較大，攜帶不便，如今，小小的U盤作為移動(dòng)信息存儲(chǔ)設(shè)備，因其體積輕巧而備受大家喜愛。本文設(shè)計(jì)了一種帶有信息存儲(chǔ)功能的手機(jī)移動(dòng)電源。在U盤模塊中，有一個(gè)U盤插口，可與電腦相連接進(jìn)行信息處理；在移動(dòng)電源模塊設(shè)計(jì)有開啟、關(guān)閉按鈕來控制移動(dòng)電源的通斷；側(cè)面有手機(jī)充電插口及移動(dòng)電源插口。本設(shè)計(jì)解決了兩者的攜帶問題并加強(qiáng)使用功能，顯著效果在于：集移動(dòng)電源、信息存儲(chǔ)、信息處理于一體，攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，能直接通過手機(jī)處理信息，可廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備上。

移動(dòng)電源 U盤 信息存儲(chǔ) 信息處理

1 概述

1.1 選題背景及目的

在現(xiàn)在這個(gè)社會(huì)上，手機(jī)、MP3、ipad等移動(dòng)電子設(shè)備已經(jīng)是完全地普及開來了，而有些設(shè)備經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電量不足的情況，所以移動(dòng)電源就可以完美地解決這個(gè)問題，不過一般情況下的移動(dòng)電源相對(duì)來說是比較大的，很多人會(huì)因?yàn)閿y帶不方便而放棄它。而U盤作為移動(dòng)信息存儲(chǔ)設(shè)備，大多數(shù)人都會(huì)在身上帶著1-2個(gè)U盤，如果再加上移動(dòng)電源的話，那么人們身上的空間可以說是被占用了很大一部分，所以我就想要制作出一個(gè)可以將兩者合一、方便攜帶的設(shè)備。本文設(shè)計(jì)了具有信息存儲(chǔ)功能的手機(jī)移動(dòng)電源。

1.2 具有信息存儲(chǔ)功能的手機(jī)移動(dòng)電源設(shè)計(jì)思路

我所設(shè)計(jì)的是一種具有信息存儲(chǔ)功能的手機(jī)移動(dòng)電源，由U盤、移動(dòng)電源組成．其特征在于：移動(dòng)電源內(nèi)裝有基本電路板，電路板上裝有：充、放電模塊、信息存儲(chǔ)模塊、信息處理模塊。移動(dòng)電源側(cè)面有手機(jī)充電接口以及移動(dòng)電源充電插口，正面有移動(dòng)電源的控制按鈕：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，移動(dòng)電源可以正常給手機(jī)、MP3等電子設(shè)備充電；當(dāng)按下關(guān)閉按鈕時(shí)，移動(dòng)電源不能給手機(jī)等電子設(shè)備充電。該兩個(gè)按鈕均不影響對(duì)移動(dòng)電源的充電功能，對(duì)于U盤的使用也不影響。在移動(dòng)電源的尾部有一蓋子，將U盤插口蓋住，以防止U盤插口損壞，致使移動(dòng)電源的信息存儲(chǔ)以及信息處理功能不能正常使用。在移動(dòng)電源通過U盤插口接入電腦時(shí)，可以正常給移動(dòng)電源充電，并且可以在電腦上進(jìn)行U盤內(nèi)信息的處理。

圖1：具有信息存儲(chǔ)功能的手機(jī)移動(dòng)電源結(jié)構(gòu)圖

圖2：具有信息存儲(chǔ)功能的手機(jī)移動(dòng)電源工作框圖

圖3：移動(dòng)電源工作框圖

圖4

2 設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，為具有信息存儲(chǔ)功能的手機(jī)移動(dòng)電源結(jié)構(gòu)圖，本設(shè)計(jì)分為兩個(gè)模塊：一為U盤模塊，一為移動(dòng)電源模塊。在U盤模塊中，有一個(gè)U盤插口，可以通過此插口與電腦相連接，進(jìn)行信息的處理；在移動(dòng)電源模塊中，有移動(dòng)電源開啟按鈕和移動(dòng)電源關(guān)閉按鈕，分別控制移動(dòng)電源的通斷，側(cè)面有手機(jī)充電插口，用以給手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備充電，在給手機(jī)充電的同時(shí)，可以通過手機(jī)處理U盤內(nèi)的信息；以及移動(dòng)電源充電插口，用以給移動(dòng)電源充電。

如圖2所示，為具有信息存儲(chǔ)功能的手機(jī)移動(dòng)電源的工作框圖，在圖中可看出，在用普通充電器為移動(dòng)電源充電時(shí)是無法處理U盤中的數(shù)據(jù)的，但是當(dāng)我們用電腦USB充電或者直接將U盤插入電腦時(shí)，都可以處理U盤中的數(shù)據(jù)；另外，當(dāng)手機(jī)與移動(dòng)電源進(jìn)行連接時(shí)，可以通過移動(dòng)電源上的開啟/關(guān)閉按鈕進(jìn)行操控，來決定是否需要直接在手機(jī)上對(duì)U盤進(jìn)行信息數(shù)據(jù)處理。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 移動(dòng)電源電路的組成及原理

所謂的移動(dòng)電源，也就是充電寶，是把儲(chǔ)存電能、升壓、釋放電能、充電管理的功能合為一體的一種方便攜帶的移動(dòng)設(shè)備。

移動(dòng)電源由電芯、直流升壓電路模塊、充電管理電路模塊以及外殼組成。

3.1.1 移動(dòng)電源電芯

目前市場(chǎng)上的電芯主要分為兩種：高級(jí)鋰聚合物電芯和18650鋰電芯，而本設(shè)計(jì)中使用的是18650鋰電芯。

圖5

圖6：穩(wěn)壓供電電路模塊

18650鋰電芯是目前移動(dòng)電源中使用最為廣泛的一種電芯，它的標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.7V，容量一般都在2000～3000毫安之間。而我們之所以用來儲(chǔ)存電能的介質(zhì)都是鋰離子電芯，是因?yàn)殇囯x子電芯具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）電壓高；

（2）比能量大；

（3）循環(huán)壽命長(zhǎng)；

（4）安全性能好；

（5）自放電??；

（6）快速充電；

（7）工作溫度適宜；

（8）價(jià)格適中。

這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于儲(chǔ)能介質(zhì)來說都是非常重要的，而我們常用的移動(dòng)電源對(duì)于這方面的要求也是極為嚴(yán)格的，所以這些優(yōu)點(diǎn)也就造就了鋰離子電芯的實(shí)用性，所以有很多數(shù)碼產(chǎn)品的電池都是使用的鋰電池。

而一般的鋰電池工作電壓很低，標(biāo)準(zhǔn)的電壓為3.7V。雖然鋰電池的電壓也會(huì)隨著電池容量的上升而上升，但是最高也只能上升到4.2V。但是一般來說，大多數(shù)數(shù)碼產(chǎn)品，如：手機(jī)、MP3、MP4、筆記本電腦……，這些數(shù)碼產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)充電電壓都是要5V的，而2.7V-4.2V的電壓明顯是不能給這些數(shù)碼產(chǎn)品充電，所以這就需要將鋰電池自身的電壓“增高”，當(dāng)升到足夠高（通常為5V）的時(shí)候，才能正常給數(shù)碼產(chǎn)品充電。

3.1.2 直流升壓電路模塊

直流升壓在移動(dòng)電源中的定義，就是把鋰電池中較低（這里為3.7V）的電壓，升高到需要的電壓。目前的直流升壓電路都是先通過高頻振蕩來獲得一個(gè)低壓，再通過變壓器將這個(gè)低壓提升至一開始設(shè)定好的電壓值，最后再經(jīng)過整流輸出我們想要的較高（移動(dòng)電源中一般設(shè)定為5V）的直流電壓。這種升壓方式也被稱之為DC-DC升壓，也叫直流升壓電路，簡(jiǎn)單來說就是一種將直流電轉(zhuǎn)換直流電的電路。

但是在國(guó)內(nèi)，這種升壓的轉(zhuǎn)換率一般都比較低，約為50～70%。

3.1.3 充電管理電路模塊

充電管理電路模塊針對(duì)的是移動(dòng)電源內(nèi)電能使用完之后，對(duì)移動(dòng)電源進(jìn)行的充電。

在移動(dòng)電源充電時(shí)，充電管理電路模塊主要是根據(jù)充電電壓的大小，來調(diào)節(jié)充電的電流大小，以減小充電對(duì)電池的損傷。

3.1.4 外殼

外殼一般分為兩種：塑料殼和金屬殼。

3.2 U盤電路

U盤，也叫USB閃存驅(qū)動(dòng)器，是一種通過USB接口，直接插在電腦USB中，和電腦進(jìn)行連接，并可以在電腦上處理U盤里的數(shù)據(jù)、資料等等，實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、處理。也是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備中的一個(gè)。

3.2.1 U盤電路的組成

U盤因?yàn)轶w型較小，方便攜帶，所以它的組成結(jié)構(gòu)也是相當(dāng)簡(jiǎn)單，由USB接口、主控芯片、FLASH（閃存）芯片、以及外殼組成。

（1）USB接口。USB接口，相當(dāng)于是U盤的“肉體”，主要作用就是連接到電腦上，建立起電腦主機(jī)或者手機(jī)與U盤的溝通橋梁，以方便對(duì)U盤內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果USB接口出現(xiàn)損壞時(shí)，U盤將無法與電腦、手機(jī)進(jìn)行溝通。

（2）主控芯片。主控芯片，也就是U盤的“大腦”，主要負(fù)責(zé)連接閃存芯片與USB接口，同時(shí)也控制著U盤各類器件的協(xié)調(diào)。只有有了主控芯片，電腦主機(jī)才能識(shí)別出U盤。

U盤的主控芯片型號(hào)較多，最受歡迎的屬于群聯(lián)PHISON主控芯片，因?yàn)檫@款芯片的兼容性相對(duì)于其他主控芯片來說，是最好的一款；而且這款芯片的讀寫速度在與其他芯片作比較之后，也是讀寫最快的芯片。

我所采用的是au9380芯片。

（3）FLASH（閃存）芯片。FLASH（閃存）芯片是U盤真正的核心，起著最主要的作用。U盤內(nèi)所有的數(shù)據(jù)的“存放地”。并且在電腦上處理U盤內(nèi)的文件時(shí)，就算出現(xiàn)了斷電、跳閘的情況，U盤內(nèi)的文件也會(huì)原封不動(dòng)的保留在U盤內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，性能極為可靠。我采用的是NAND閃存設(shè)備是一種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，即斷電后仍能保存數(shù)據(jù)。結(jié)合了EPROM和EEPROM結(jié)構(gòu)它的發(fā)展目標(biāo)就是降低每比特存儲(chǔ)成本、提高存儲(chǔ)容量。

（4）外殼。U盤的外殼多種多樣，按照材料來分的話，可以分為塑料、木質(zhì)、金屬、硅膠等等；如果按照樣式來分的話，可以分為簡(jiǎn)約型、卡通型、商務(wù)型、迷你型……

3.2.2 U盤電路的原理

當(dāng)我們把U盤的USB接口和電腦主機(jī)進(jìn)行連接的時(shí)候，電腦主機(jī)就會(huì)通過USB接口的連接處，向U盤供電。也就是說， U盤是不需要自己供電的，當(dāng)需要使用時(shí)，直接與電腦主機(jī)連接即可實(shí)現(xiàn)正常工作。

在主機(jī)向U盤供電后，USB接口中的數(shù)據(jù)輸入端將會(huì)變成高電平，輸出端變成低電平；這樣電腦主板就可以檢測(cè)到U盤的連接狀態(tài)，接著U盤的“大腦”，也就是主控芯片就可以調(diào)用U盤FLASH（內(nèi)存）芯片中存儲(chǔ)好的數(shù)據(jù)信息了，當(dāng)調(diào)取到這些信息的時(shí)候，再通過USB接口傳輸?shù)诫娔X主機(jī)中，而主機(jī)接收到這些信息之后，就會(huì)自己安裝U盤的驅(qū)動(dòng)程序。

等到安裝結(jié)束之后，我們就可以在電腦PC端上看到U盤內(nèi)存儲(chǔ)著的數(shù)據(jù)信息了。當(dāng)然，也可以對(duì)其進(jìn)行處理、修改。

4 電路解析

4.1 移動(dòng)電源電路工作框圖

如圖3所示。

4.1.1 充電

從Mini USB輸入端輸入電源，對(duì)移動(dòng)電源充電，沖到電芯中，在充電過程中，由STM8S003檢測(cè)充電狀態(tài)，根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)由I/O口輸出控制LED亮燈

4.1.2 放電

使用時(shí)，按下控制開關(guān)，電芯輸出3.7V電壓，經(jīng)由升壓電路升到5V，再由USB輸出端輸出到手機(jī)等電子設(shè)備。同時(shí)STM8S003檢測(cè)電芯內(nèi)剩余電量，再控制LED亮燈狀態(tài)。

4.2 U盤工作框圖

4.2.1 濾波穩(wěn)壓供電電路模塊

（1）濾波電路模塊。圖4、圖5為濾波電路模塊，圖中所示的磁珠是為了消除信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和干擾，另外它還具有吸收靜電脈沖的能力。

（2）穩(wěn)壓電路模塊。圖6為穩(wěn)壓供電電路模塊，其中VCC為U盤插入電腦后得到的5V供電電壓，VCC3.3是由主控電路穩(wěn)壓后得到的3.3V電壓。

當(dāng)U盤插入電腦時(shí)，由于VCC3.3的影響，USB-DP為高電平，USB-DM為低電平，所以電腦就可以檢測(cè)到U盤已插入，這是電腦就可以讀取到U盤里存儲(chǔ)的信息了。

4.2.3 主控芯片電路模塊

圖7中，21號(hào)引腳與閃存芯片相連接，用來檢測(cè) fl ash芯片是否處于忙狀態(tài)的。如果處于忙狀態(tài)的話， fl ash的R/！B端是低電平，則21號(hào)引腳是低電平，否則不檢測(cè)的話，則保持在高電平狀態(tài)下。

4.2.3 fl ash芯片模塊

如圖8所示，I/O端連接主控芯片，主控芯片控制信號(hào)的輸入或輸出，由VCC2FM向閃存芯片供電。

圖7：主控芯片電路模塊

圖8：flash（閃存）模塊

圖9：U盤與移動(dòng)電源控制電路工作框圖

4.3 U盤與移動(dòng)電源控制電路工作框圖

圖9為U盤與移動(dòng)電源控制電路工作框圖，由圖中可見，在移動(dòng)電源內(nèi)電芯輸出電壓經(jīng)過升壓電路后，形成5V電壓，在正常情況下，移動(dòng)電源可以通過USB端口進(jìn)行充電，當(dāng)按下啟動(dòng)開關(guān)SB2時(shí)，可以使用U盤進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；其中下拉電阻R是為了對(duì)U盤主控芯片進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)橹骺匦酒话憧沙惺茈妷簽?00mv，但是移動(dòng)電源一般為1A，所以為了防止電流過高燒壞，要加一個(gè)電阻分流。

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作者單位 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)分院 江蘇省蘇州市 215123

沈紅雷（1976-），男。碩士研究生。職稱：高級(jí)講師。研究方向?yàn)殡娮与姽ぜ夹g(shù)。