李 娜 歐陽(yáng)璐 鄭 秋 任 瓊 孫國(guó)航

（長(zhǎng)江師范學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，重慶 408000）

隨著筆記本電腦的飛速發(fā)展，筆記本電腦續(xù)航時(shí)間不足給電腦用戶帶來(lái)了較大困擾。目前市場(chǎng)上如惠普、聯(lián)想和蘋果等公司推出的筆記本電腦續(xù)航時(shí)間多為3h～4h，并不能滿足人們的需求，而且筆記本電腦自帶的充電設(shè)備一般較笨重，攜帶不便，公共場(chǎng)合的充電插座也并不充裕。因此，筆記本電腦充電寶應(yīng)運(yùn)而生。目前對(duì)本本寶的研究還存在如下問題：首先，研究中的數(shù)據(jù)來(lái)源于產(chǎn)品試驗(yàn)和小部分人的使用體驗(yàn)，沒有更廣泛的數(shù)據(jù)收集；其次，目前本本寶的成本過(guò)高，大概率不會(huì)實(shí)現(xiàn)全覆蓋。針對(duì)這些問題該文做了如下研究。

1 電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

一般的充電寶采用鋰離子電池作為電源，通過(guò)USB接口和設(shè)備相連接進(jìn)行充電。然而，由于傳輸效率低、充電時(shí)間長(zhǎng)等問題，這種充電寶在使用中存在一定的局限性。隨著科技的進(jìn)步，新一代充電寶采用了更高容量和更高效率的鋰聚合物電池，使充電時(shí)間顯著縮短。此外，快充技術(shù)的引入也在較大程度上提高了充電速度，為用戶提供了更便捷的充電體驗(yàn)。本本寶的電源則是一個(gè)系統(tǒng)，如圖1所示[1]。

圖1 整體系統(tǒng)框架圖

整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成主要分為BUCK-BOOST鋰電池充放電模塊、散熱模塊以及無(wú)線充電模塊。BUCK-BOOST鋰電池充放電模塊的主要功能是控制輸入電壓、檢測(cè)各點(diǎn)電壓是否正常和控制四路輸出電壓，主要使用PWM來(lái)進(jìn)行BOOST電路控制，使專用接口的電壓達(dá)到100W功率，為筆記本電腦進(jìn)行供電，各點(diǎn)電壓采用分壓法并配合模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC），其余BUCK電路則是為對(duì)應(yīng)模塊的輸入電壓進(jìn)行降壓，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行對(duì)應(yīng)的BUCK電路參數(shù)設(shè)置。散熱模塊通過(guò)開關(guān)控制風(fēng)機(jī)工作，為筆記本或者其他設(shè)備散熱，該模塊采用硬件電路進(jìn)行控制。無(wú)線充電模塊輸入端從BUCK電路獲取，通過(guò)專用的無(wú)線發(fā)送芯片進(jìn)行控制，利用QIMP-A2線圈進(jìn)行輸出。

該文的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和充電效率，與傳統(tǒng)充電寶電源系統(tǒng)相比，新設(shè)計(jì)的本本寶電源系統(tǒng)在充電時(shí)間和能量損耗方面有明顯改善。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在不同充電電流和充電功率下的性能和穩(wěn)定性[2]。

1.1 BUCK-BOOST鋰電池充放電模塊

BUCK-BOOST鋰電池充放電模塊框架如圖2所示。BUCK-BOOST鋰電池充放電模塊利用一款單片機(jī)控制輸入電壓與輸出電壓，主控芯片實(shí)時(shí)通過(guò)ADC讀取各模塊的電壓，包括輸入BUCK、電池以及輸出BUCK，便于芯片實(shí)時(shí)控制各模塊。各BUCK電路和BOOST電路都需要主控芯片通過(guò)使能進(jìn)行控制。鋰電池采用電池組串、并聯(lián)方式提升容量和耐壓，如圖3所示。為減輕電路消耗并提高效率，將鋰電池的電壓提升至12V，并將3塊相同類型的電池串聯(lián)起來(lái)，此時(shí)電池組輸出電壓為12V，再將第一節(jié)電池接出來(lái)，為主控芯片電源。進(jìn)行100W功率輸出時(shí)，只需要將電壓升壓到20V即可，然后將12V鋰電池通過(guò)BUCK電路降壓至負(fù)載所需電壓即可[3]。

圖2 BUCK-BOOST鋰電池充放電模塊框圖

圖3 鋰電池組

1.2 散熱模塊

隨著電腦性能的提高與需求增加，電腦散熱問題日益突出。過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致電子元件的損壞和性能下降，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高效的散熱模塊對(duì)電腦的穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)電子元件的使用壽命至關(guān)重要。本本寶的散熱模塊采用2個(gè)5V直流電機(jī)、溫度傳感器，如圖4所示。其開關(guān)受對(duì)應(yīng)的硬件開關(guān)控制，扇熱模塊具有左、右2個(gè)散熱風(fēng)機(jī)，可對(duì)稱均勻地為設(shè)備散熱。

圖4 溫度傳感器

本本寶的散熱模塊能夠充分對(duì)筆記本電腦充電時(shí)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行散熱，即使不使用該產(chǎn)品充電，也可以使用該產(chǎn)品為筆記本電腦散熱。該散熱模塊具有良好的降溫與噪聲控制效果，能夠有效降低電腦溫度，并保證其性能和穩(wěn)定性，有助于提高電腦的使用體驗(yàn)和可靠性。此外，該文還通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)在不同負(fù)載、環(huán)境溫度和風(fēng)速下的性能和穩(wěn)定性。

1.3 無(wú)線充電模塊

許多無(wú)線充電產(chǎn)品，如無(wú)線充電手機(jī)、無(wú)線充電耳機(jī)等，往往使用的是市場(chǎng)上的常用技術(shù)，如電磁感應(yīng)、無(wú)線電波與共振作用。目前市場(chǎng)上的大部分設(shè)備主要采用電磁感應(yīng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電功能。

1.3.1 無(wú)線充電的原理

無(wú)線充電設(shè)備分為發(fā)射端和接收端。發(fā)射端主要由BUCK電路、振蕩電路、功放大電路和發(fā)射線圈構(gòu)成，先由BUCK電路將輸入的市電進(jìn)行降壓，降到設(shè)備所需的輸入電壓并將其進(jìn)行調(diào)頻后，輸送到發(fā)射線圈[1]。此時(shí)，發(fā)射線圈中改變頻率后的電壓產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。根據(jù)電磁感應(yīng)效應(yīng)，當(dāng)接收端線圈處于交變磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流，再通過(guò)接收端的充電電路將交流電轉(zhuǎn)換為設(shè)備用電，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電功能，如圖5所示[4]。

圖5 無(wú)線充電設(shè)計(jì)流程

無(wú)線充電的工作效率首先跟線圈間的耦合系數(shù)、線圈的品質(zhì)因數(shù)（Q）有很大關(guān)系，其次是與發(fā)射端與接收端的距離、發(fā)射線圈與接收線圈的直徑大小有關(guān)，當(dāng)然與線圈間的角度和形狀也有關(guān)聯(lián)。

根據(jù)Biot-SavartLaw定律可得，當(dāng)穩(wěn)定的恒電流通過(guò)繞好的導(dǎo)線時(shí)，在繞好的導(dǎo)線外P處將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)，強(qiáng)度為B，如公式（1）所示[5]。

式中：μ0為磁導(dǎo)率；r為電阻。

通過(guò)計(jì)算可得單個(gè)載流源線圈所在軸線上的磁場(chǎng)。假設(shè)該載流源線圈中心點(diǎn)為O，線圈的半徑為R，其中載流大小為I，如圖6所示[5]。

圖6 線圈磁場(chǎng)示意圖

線圈中任意位置的一個(gè)電流元為IdL，如果電流元到達(dá)P點(diǎn)的矢徑為r，使r剛好與IdL垂直，根據(jù)Biot-SavartLaw定律可得該電流元在P點(diǎn)所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)強(qiáng)度，如公式（2）所示[5]。

式中：dB與矢徑r、軸線在相同平面內(nèi)，且與r成90°垂直。

由此得出在線圈不同地方，其電磁感應(yīng)方向都是不相同的，因此將dB分為平行于軸線方向和垂直于軸線方向2個(gè)分量，用B⊥表示垂直于軸線方向，用B||表示平行于軸線方向。

根據(jù)對(duì)稱原理，垂直分量B⊥相互抵消，平行分量B||相互疊加，則有公式（3）。

1.3.2 整體調(diào)試

將各模塊組裝連接起來(lái)后，如圖7所示。

圖7 整體實(shí)物圖

2 存在的問題

雖然目前的筆記本電腦一體式電源技術(shù)取得了一定進(jìn)步，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。1）筆記本電腦一體式電源的體積和質(zhì)量是用戶一直關(guān)注的問題，因?yàn)檩^大的容量通常意味著較大的尺寸和質(zhì)量，攜帶不便。由于技術(shù)原因，目前該產(chǎn)品的尺寸、質(zhì)量偏大，該文也在尋找更輕便的材料去設(shè)計(jì)筆記本電腦一體式電源。2）筆記本電腦一體式電源的充電效率和循環(huán)壽命也有待改善，以提升用戶體驗(yàn)并延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。因此該產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有超長(zhǎng)蓄電能力。并且核心電源具有自己的鋰聚合電芯、保護(hù)系統(tǒng)和智能安全閥等，安全、可靠且實(shí)用。該電池還具有多種保護(hù)機(jī)制，例如防反接保護(hù)、過(guò)溫過(guò)充保護(hù)以及電芯PTC保護(hù)等。3）筆記本電腦一體式電源的安全性也是一個(gè)重要的考量因素，高容量充電寶在使用過(guò)程中存在過(guò)熱和短路的風(fēng)險(xiǎn)，因此該文增加了智能化散熱系統(tǒng)，由溫度傳感器、直流電機(jī)2個(gè)部分構(gòu)成，能自動(dòng)檢測(cè)電腦溫度并進(jìn)行降溫處理，使電腦在使用過(guò)程中保持性能穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了筆記本電腦一體式電源的廣闊市場(chǎng)和該文設(shè)計(jì)產(chǎn)品的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。首先，通過(guò)呈現(xiàn)整體物理系統(tǒng)框架闡明了電源系統(tǒng)的運(yùn)作過(guò)程，主要物理框架包括BUCK-BOOST鋰電池充放電模塊、散熱模塊和無(wú)線充電模塊。其次，分析BUCKBOOST鋰電池充放電模塊原理、散熱模塊原理以及無(wú)線充電模塊原理，從而有力論證了產(chǎn)品的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。