基于WEBENCH的USB堿性電池安全充電器電源設(shè)計(jì)

李明龍

摘要：堿性電池具有高能量輸出及使用時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生活中無線鍵鼠、收音機(jī)、照相機(jī)及閃光燈等電子產(chǎn)品的供電。本文基于WEBENCH設(shè)計(jì)了USB堿性電池安全充電器電源系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩節(jié)堿性干電池的USB安全充電。

關(guān)鍵詞：堿性電池;WEBENCH;降壓轉(zhuǎn)換;TPS62122

中圖分類號(hào)：TN86? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1007-9416（2018）10-0000-00

1引言

堿性電池有高能量輸出及使用時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生活中無線鍵鼠、收音機(jī)、照相機(jī)及閃光燈等電子產(chǎn)品的供電。堿性電池的購(gòu)買非常方便，生產(chǎn)的廠商也最多。不過，經(jīng)過一段時(shí)間的使用放電后，堿性電池的電壓會(huì)下降。雖然現(xiàn)在的堿性電池已大部份無汞，但是隨著使用量巨增而大量丟棄的電池仍對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生極大壓力。如按照目前堿性電池使用量來看，如果對(duì)堿性電池進(jìn)行充電，重復(fù)使用，廢棄電池量將大為減少，極大地降低丟棄一次性電池給環(huán)境造成的污染，同時(shí)亦可以降低用戶的累計(jì)使用成本。為此，本文基于TI的WEBENCH設(shè)計(jì)網(wǎng)站，設(shè)計(jì)了堿性電池USB充電器安全電源，可為兩節(jié)電量用盡的堿性干電池充電。

2堿性電池充電的可行性

對(duì)于堿性電池能否充電的問題，有兩種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為可以充，效果非常好。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，堿性電池絕對(duì)不能充電，堿性電池外包裝的說明中已經(jīng)有所提示，如果充電會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。事實(shí)上，只要遵循科學(xué)正確的充電原則，堿性電池確實(shí)可以充電[1]。

堿性電池充電的關(guān)鍵是控制充電溫度。堿性電池的密封性比較好，如果充電電流太大，導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱嚴(yán)重，可能會(huì)引起電池外殼爆裂。只要能做到對(duì)電池充電時(shí)不出現(xiàn)高溫，就可以順利地完成充電過程，直至將電池內(nèi)部的鋅柱消耗完為止。堿性電池的可充電次數(shù)一般為30-50次，正確的安全充電方法要求有兩點(diǎn)[2]：

（1）小電流充電，50mA為宜，不應(yīng)超過70mA。

（2）不過充，不過放（充電電壓在1.3V到1.7V之間）。

只要充電器滿足以上兩點(diǎn)，就可以保證充電過程的安全性，實(shí)現(xiàn)對(duì)堿性電池的安全充電[3]。

3電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

TPS62122芯片是一種同步降壓的高效的低功耗DC-DC轉(zhuǎn)換器，支持范圍為2V至15V的工作輸入電壓，可實(shí)現(xiàn)范圍為1.2V至5.5V的可調(diào)工作輸出電壓，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%，輸出電流可達(dá)75mA，并允許使用小的外部電感器和電容器。

本USB充電器電源系統(tǒng)對(duì)兩節(jié)堿性干電池串聯(lián)充電，充電電壓應(yīng)為3V，同時(shí)應(yīng)滿足小電流充電的安全充電原則，即充電電流應(yīng)控制在50mA左右，不應(yīng)超過70mA。

考慮到本設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的具體要求，并結(jié)合WEBENCH設(shè)計(jì)網(wǎng)站的優(yōu)化工具芯片選型分析的結(jié)果，本USB充電器電源系統(tǒng)采用TPS62122降壓轉(zhuǎn)換器芯片進(jìn)行充電電路設(shè)計(jì)。

4電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本USB充電器電源系統(tǒng)利用TI的WEBENCH網(wǎng)站進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)[4]，設(shè)計(jì)的具體步驟如下：

（1）在WEBENCH 設(shè)計(jì)器頁面輸入設(shè)計(jì)電源需要的供電要求、輸入電壓最小值4V和最大值5V，輸出電壓3.0V，輸出電流0.05A和環(huán)境溫度25攝氏度，然后點(diǎn)擊“開始設(shè)計(jì)”，如圖1所示。

（2）點(diǎn)擊開始設(shè)計(jì)后，WEBENCH設(shè)計(jì)器會(huì)給出可供選擇的設(shè)計(jì)方案。在給出的各個(gè)設(shè)計(jì)方案中，可根據(jù)選擇使用的核心芯片以及各方案中的相關(guān)參數(shù)選擇最符合自己要求的設(shè)計(jì)方案。其中，可以利用WEBENCH工具的選型、仿真和優(yōu)化工具幫助自己比較、選擇合適的芯片。經(jīng)過比較分析，本USB充電器電源系統(tǒng)選用效率最高、價(jià)格相對(duì)較低的TPS62122降壓轉(zhuǎn)換芯片。使用優(yōu)化工具比較選擇過程的相關(guān)操作如圖2所示，其中最優(yōu)方案使用紅框標(biāo)出。

（3）選定 TPS62122芯片所對(duì)應(yīng)的方案，點(diǎn)擊“開始設(shè)計(jì)”，WEBENCH 會(huì)給出基于芯片TPS62122的設(shè)計(jì)詳情，其中包括圖表、原理圖、工作數(shù)值、元件清單等等，可據(jù)此進(jìn)行本充電器電源系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和制作，如圖3與圖4所示。

（4）根據(jù)WEBENCH給出的充電器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖，在Altium Designer 10軟件中畫出充電器電源系統(tǒng)的電路的原理圖和PCB圖，如圖5與圖6所示。

5電源系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

5.1系統(tǒng)仿真測(cè)試

為檢驗(yàn)所選方案的相關(guān)特性，實(shí)際制板做實(shí)物前首先使用WEBENCH設(shè)計(jì)網(wǎng)站的仿真功能進(jìn)行系統(tǒng)仿真測(cè)試[5]。仿真測(cè)試結(jié)果如圖7至圖10所示。當(dāng)輸入電壓為5V時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形圖與負(fù)載暫態(tài)波形圖如圖7與圖8所示，上電時(shí)刻的波形圖如圖9所示;當(dāng)輸入電壓有4V到6V的波動(dòng)時(shí)，仿真測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

由仿真測(cè)試圖可看出，本方案滿足堿性電池安全充電的要求，穩(wěn)定性也較強(qiáng)，可以選用。

5.2 實(shí)物測(cè)試結(jié)果

為了反映USB充電器電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要引入兩個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性參數(shù)ε、Δ以表示系統(tǒng)輸出量的相對(duì)穩(wěn)定性。其中，ε表示此USB充電器電源系統(tǒng)輸出電壓與設(shè)定電壓的偏差;Δ表示此USB充電器電源系統(tǒng)輸出電流與設(shè)定電流的偏差。參數(shù)的定義如下? ? ，

其中，n為測(cè)量次數(shù)，Ui為每次測(cè)量的電壓值，Ii為每次測(cè)量的電流值。

USB充電器電源系統(tǒng)輸出電壓使用萬用表直接測(cè)量，輸出電壓使用萬用表串聯(lián)阻值為18歐姆的電阻以模擬待充電電池測(cè)量。在有效測(cè)量?jī)?nèi)測(cè)量多組數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，求出相應(yīng)的ε、Δ參數(shù)。

經(jīng)六組實(shí)驗(yàn)測(cè)量，可由測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)合上述公式計(jì)算可得系統(tǒng)精度參數(shù)。測(cè)試參數(shù)記錄表如1。