劉偉達(dá),董林璽

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018)

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可供便攜式設(shè)備充電的移動(dòng)電源設(shè)計(jì)*

劉偉達(dá),董林璽*

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018)

摘要:針對便攜式設(shè)備續(xù)航時(shí)間短的問題,設(shè)計(jì)了一款能夠在戶外供其他移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品充電的移動(dòng)電源。此款移動(dòng)電源基于鋰電池充電芯片ASC8513和升壓芯片ME2109,能做到自身的充電電流和輸出電流均達(dá)到2 A,比普通產(chǎn)品的1 A電流高出1倍,并具有很好的安全性和人性化設(shè)計(jì)。著重分析了移動(dòng)電源系統(tǒng)中各模塊的電路設(shè)計(jì),參數(shù)設(shè)置和工作效率等問題,為設(shè)計(jì)一款性能優(yōu)良的移動(dòng)電源提供了解決方案。

關(guān)鍵詞:移動(dòng)電源;鋰電池充電;DC-DC升壓;過流保護(hù)

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展,使得手機(jī)、平板電腦、照相機(jī)等移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品市場出現(xiàn)了迅速增長的局面。國際數(shù)據(jù)公司(IDC)的跟蹤報(bào)告顯示,僅2013年第1季度,中國手機(jī)出貨量就有9 700萬部,與2012年同期相比增長了15%。其中智能機(jī)出貨量為7 800萬部,同比增長117%。移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展趨勢主要是追求外觀的小型化和功能的多樣化。外觀的小型化必然要減少電池的體積,限制了電池容量的增加;功能的多樣化又會(huì)加速電池能量的消耗,大幅度縮短了便攜式設(shè)備的工作時(shí)間[1-2]。文中所述此款移動(dòng)電源的設(shè)計(jì),可以作為便攜式設(shè)備的充電電源使用,可對便攜式設(shè)備進(jìn)行多次充電,從而延長便攜式設(shè)備在戶外的續(xù)航時(shí)間。相對于市場上的同類產(chǎn)品,此款移動(dòng)電源增大了自身的充電電流,縮短了移動(dòng)電源在給自身充電的時(shí)候所需的等待時(shí)間;優(yōu)化了升壓電路,USB口具有輸出2 A電流的能力,輸出電壓平穩(wěn);提高了電路的安全性,增加了過流、過壓、欠壓等保護(hù)電路;并具有自動(dòng)識別負(fù)載和關(guān)機(jī)的功能。

1　系統(tǒng)工作原理概述

移動(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成:鋰電池充電模塊、DC-DC升壓模塊、電路保護(hù)模塊和單片機(jī)控制模塊[3]。在戶外用移動(dòng)電源給數(shù)碼產(chǎn)品充電的時(shí)候,移動(dòng)電源的能量來自于自身攜帶的大容量鋰電池組。充電模塊就負(fù)責(zé)給鋰電池組充電,模塊中采用杭州標(biāo)源微電子有限公司生產(chǎn)的ASC8513芯片,最大充電電流可以達(dá)到2.5 A;升壓模塊負(fù)責(zé)將電池的電壓由3.7 V升壓到5 V,給消費(fèi)者手中的移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品充電;電路保護(hù)模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測系統(tǒng)的電流、電壓等是否正常;單片機(jī)控制模塊主要負(fù)責(zé)各模塊中芯片的控制,參數(shù)的計(jì)算以及顯示系統(tǒng)的使用狀態(tài)。

圖1　移動(dòng)電源系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1鋰電池充電模塊

ASC8513是開關(guān)式、同步整流單節(jié)鋰電池充電管理芯片[5]。它采用峰值電流模的控制模式和同步整流的技術(shù),能夠極大地提高充電效率,適用于大電流充電的場合,充電電流可達(dá)2 A。ASC8513集成了過溫保護(hù)、短路保護(hù)等功能,2個(gè)LED燈分別指示電池充電狀態(tài)和充飽狀態(tài)。ASC8513的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　ASC8513電路結(jié)構(gòu)圖

2.1.1主要參數(shù)設(shè)置與原件的選取:

(1)恒流充電電流(ICC)設(shè)置

通過設(shè)置RSNS和RISET的值可以設(shè)定電池恒流充電電流。RISET為芯片9腳ISET與地相連的電阻;RSNS為芯片6腳與電池相連的電阻。為了兼顧電流檢測精度和充電效率,我們選擇RSNS=0.1 Ω。

(1)

KISET是電流檢測系數(shù),典型值為1 000。VISET是ISET管腳的電壓,內(nèi)部設(shè)定為1.5V。例如要讓ICC=2A,則由式(1)可得,RISET=5K。

(2)電感的選擇

電感上的電流紋波可以通過下式計(jì)算:

(2)

ΔI為電感上的電流紋波值,fS為PWM振蕩頻率,VIN為ASC8513的輸入電壓,VBAT為電池的電壓。從減少噪聲上考慮,ΔI一般取最大充電電流的30%到50%。在大多數(shù)的應(yīng)用場合,電感可以取10μH或22μH。

2.1.2芯片充電效率的測試

充電效率通過下式計(jì)算:

(3)

η代表充電效率,IBAT=VSNS/RSNS為輸入電池的電流,IIN為從芯片輸入端流入的電流。

開始測試前,電池的參數(shù)為:開路電壓3.54V,容量4 000mAh。測得數(shù)據(jù)如表1。

表1　ASC8513充電效率測試

2.2升壓模塊

移動(dòng)電源自身鋰電池組的標(biāo)稱電壓是3.7 V,因此需要用將此電池電壓升到5.0 V才可以給外部的便攜式設(shè)備充電。系統(tǒng)中采用ME2109升壓芯片來完成升壓模塊的功能。ME2109由基準(zhǔn)電壓源、振蕩電路、誤差放大器、相位補(bǔ)償電路和PWM/PFM切換控制電路等構(gòu)成的CMOS升壓DC-DC控制器。通過外接NMOS,能做到輸出效率更高、輸出電流更大的效果。升壓模塊的電路如圖3所示。

圖3　升壓模塊電路圖

通過改變R12和R13的阻值,可以調(diào)整PWM的占空比,從而調(diào)整輸出電壓的大小。輸出電壓滿足下列關(guān)系:

(4)

2個(gè)反饋電路應(yīng)滿足:R12+R13<50K。此模塊要求升壓到5V,所以令R12=30K,R13=10K。

輸出端電容EC2的作用是讓輸出電壓變得平滑,由于電容自身“等效串聯(lián)電阻”的存在,會(huì)使得電容兩端的電壓產(chǎn)生突變。因此在大多數(shù)的場合下,我們應(yīng)選擇等效串聯(lián)電阻較小的鉭電容。實(shí)驗(yàn)測得,當(dāng)EC2分別為220μF電解電容和220μF鉭電容的時(shí)候,升壓輸出5V端口的波形如圖4和圖5所示。

圖4　EC2為220 μF電解電容

圖5　EC2為220 μF鉭電容

電解電容的ESR大于鉭電容,從上圖可以看出,輸出端電壓突變的情況,圖4要大于圖5。鉭電容的價(jià)格比較高,如果在實(shí)際的生產(chǎn)中受到成本的限制,可采用容值大的電解電容和容值小的陶瓷電容并聯(lián)來使用[4]。

在升壓電路中,轉(zhuǎn)化效率η是很重要的指標(biāo),轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算公式如下:

(5)

Vout-5是輸出電壓,Iout-5是輸出電流,Vin-me是升壓芯片的輸入電壓,Iin-me是輸入電流。轉(zhuǎn)化效率除了與元件的選取和PCB的布局外,還與輸入電壓的大小有關(guān),故規(guī)定輸入電壓在3.7V左右時(shí),測得的轉(zhuǎn)化效率如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)電流小于1.2A的時(shí)候都具有較高的轉(zhuǎn)化效率,之后隨著電流的增大,轉(zhuǎn)化效率相應(yīng)的減小。

圖6　升壓模塊的轉(zhuǎn)化效率

2.3電路保護(hù)模塊

為了提高移動(dòng)電源使用的安全性,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了輸出端口的過流保護(hù),如果輸出端口電流超過2 A,升壓電路將不再工作[6],同時(shí)單片機(jī)檢測到過流之后,關(guān)斷輸出口負(fù)端與地的連接,這樣移動(dòng)電源就不會(huì)給負(fù)載供電了[7-8]。過流保護(hù)的電路圖如圖7所示。

圖7　過流保護(hù)電路圖

圖7主要是一個(gè)同相比例放大電路[9],輸出電壓Vout滿足下式關(guān)系:

(6)

隨著負(fù)載的電流變大,VIN增大(Vout增大(VFB增大(升壓芯片輸出下降,例如當(dāng)VFB的電壓大于1.25V時(shí),ME2109的輸出電壓就會(huì)降低到小于5V。系統(tǒng)中所用的單片機(jī)HT46R065B集成了AD集采的功能,當(dāng)讀到VIN的電壓過高,就會(huì)置EN1端為低電平,這樣BQ3就會(huì)截止,系統(tǒng)不再給負(fù)載供電。

此外,系統(tǒng)中采用DW01芯片,對自身攜帶的鋰電池組進(jìn)行了短路、過壓、欠壓的保護(hù),進(jìn)一步確保了這款移動(dòng)電源使用的安全性。

3　系統(tǒng)控制過程及實(shí)物圖

為了消費(fèi)者更方便的使用,此款移動(dòng)電源增加了自動(dòng)識別負(fù)載和自動(dòng)關(guān)機(jī)的功能,并通過4盞LED指示燈時(shí)時(shí)顯示移動(dòng)電源自身的電量[10]。主控軟件流程圖如圖8所示。

圖8　主控軟件流程圖

最終的實(shí)物如圖9所示。

圖9　移動(dòng)電源實(shí)物圖

4　結(jié)束語

本文介紹了移動(dòng)電源的主要組成模塊,并分析了各模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn),提供了一套可實(shí)施的電路方案。此款移動(dòng)電源的應(yīng)用能夠讓便攜式設(shè)備擁有更大的續(xù)航能力。

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劉偉達(dá)(1988-),男,漢族,浙江臨海人,杭州電子科技大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)殚_關(guān)電源、電子信息集成技術(shù),liuwd7851@126.com;

董林璽(1976-)男,漢族,山東壽光人,博士,教授,杭州電子科技大學(xué)碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槌呔萂EMS傳感器技術(shù)、RF-MEMS、MEMS諧振器、嵌入式控制、鋰電池充電技術(shù)等,donglinxi@hdu.edu.cn。

ADesignofMobilePowertoUseforChargingPortableEquipments*

LIUWeida,DONGLinxi*

(Key Lab of RF Circuit and System Ministry of Education,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

Abstract:Due to the limit of battery’s energy capacity,protable device can’t be used long time without charging.The mobile power is designed to give the energy to other protable devices in the open air.Base on the Li battery charge IC of ASC8513 and boost converter IC of ME2109,both the charging current and output current of this mobile power can reach 2 A,higher than ordinary products twice.The mobile power have good security and humanized design.Analysing the system design,parameter settings and work efficiency this design provides a solution for the a high performance mobile power.

Key words:mobile power;Li battery charge;DC-DC boost;over-current protection

doi:EEACC:841010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.046

中圖分類號:TM910.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0795-04

收稿日期:2013-08-06修改日期:2013-08-25

項(xiàng)目來源:2013年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)(2013R407067)