一款基于鋰離子電池移動電源的設計

陽瑞新 鄧華軍 鄧集萱

（安順學院，貴州 安順 561000）

智能手機逐漸成為日常生活中的“必要裝備”，為解決其電池消耗大、待機時間短的問題，設計出一款便攜式充電電源。

1 設計中的技術規范分析

1.1 鋰離子電池的技術規范

標準充電電流，400mA～600mA，快速充電電流，小于1A。標準放電電流，440mA恒流放電，至電池電壓為2.75V[1]，充電電壓通常不要超過電池額定電壓的3/2為佳[2]。

為了防止鋰電池過度充電，需要對鋰電池接過充保護電路，當電壓超過過充電壓檢測點（4.25V）時，電路自動切斷，充電器此時停止對電池充電。為了防止鋰電池過度放電，需要對鋰電池接過放保護電路，當電池電壓低于過放電壓檢測點（2.7V）時，電路自動切斷，電池不再對外供電。為了防止短路，鋰電池接短路保護電路，即在鋰電池被短路時，保護IC檢測電池電流，若超過檢測點電流，電路自動切斷[3]。

1.2 手機充電器相關技術指標

智能機，通常充電電流為700mA左右，并且充電電壓必須恒定。對手機進行充電，電源的電壓、電流、及紋波相關的技術指標[4]。

表1 手機充電器技術指標

2 設計方案可行性分析

2.1 系統框架圖

圖1 系統框架

如圖1所示，設計主要由六大塊組成，其中過充保護電路、過放保護電路和電量顯示電路模式基本一致，電路設計簡單，但對于輸入輸出電路而言，根據電池組的組合方式不同，就有不同的電路設計方案，其主要分為升壓和降壓兩大類：

本移動電源選擇降壓設計方案，為了減輕重量，充電流限電路可設在移動電源外部。

2.2 穩壓性

采用LM2596-5V穩壓，該管具有輸出線性好且負載可調節的特點，輸出電流可達3A，輸入電壓可達40V，還具有過熱保護和限流保護功能，其待機能耗低、發熱量低且轉化率高，外圍電路簡單，僅需 4個外接元件即可，最重要的是該管具有開關功能，制作開關電源的[5]。

2.3 限流

為了防止輸出電流過大而損壞用電器，故輸出電流要限制在1A以內，本設計中采用三端穩壓管和三極管配合限流，三極管基極接可調電阻，調節基極電流從而限制發射極電流，三端穩壓管出于懸浮狀態，僅僅保證三極管集電極與發射極兩端電壓穩定不變，這樣一來，哪怕電池組電壓隨放電而降低，三極管兩端電壓始終保持不變[6]，因此，發射極的最大電流就始終保持不變，從而起到限流作用。

3 電路設計

輸入電路與過充保護電路，加入輸出電路、過放保護電路和電量顯示電路整合后得到最終設計電路圖如圖2所示，其中，將電量顯示電路中的四運算放大器的1腳與3腳間加反饋電阻R17，構成同相輸入遲滯比較器，再輸出連接到比較器LM311反相輸入端進行反相轉換，再由LM311，輸出連接到穩壓芯片5腳，構成過放保護電路。為不影響電量顯示，將LED4與輸出端相連。

圖2 電路設計原理圖

3.1 輸出、過放保護電路

放保護電路主要是將之前的比較器的輸出電壓通過反饋網絡（R4）加到同相輸入端，形成正反饋，由于參考電壓由穩壓二極管獲得，所以若將參考電壓加到同相輸入端，則反饋無效，所以，須將比較 電壓加到同相輸入端，將參考電壓加到反相輸入端，構成同相輸入遲滯比較器。

3.2 輸入、過充保護電路

輸入電路與過充保護電路是根據輸出電路和過放保護電路設計所得，采用LM2596穩壓，此時應連接成輸出可調電路，在之前的基礎上增加一個1K電阻R3在4腳接地，4腳反饋網絡中增加一個可調電阻R，同時并聯一個電容即可，其輸出電壓為：

U=(1+R/R3)*5v

將比較器輸出端與穩壓管5腳連接即可完成過充保護。

3.3 電量顯示電路

LM324為帶有差動輸入的四運算放大器，參考電壓為5.1V接在反相輸入端，檢測電壓接到同相輸入端，電路分四段顯示，小于8.4V時燈都不亮，表示電池電量為0%；8.4V至9.1V亮一個燈，表示電池電量為 0%-25%；9.2V至 10.1V亮兩個燈，表示電池電量為25%-50%；10.2V至11V亮三個燈，表示電池電量為50%-75%；11V以上亮四個燈，表示電池電量為75%以上。

4 結語

設計根據移動電源的要求，通過探究鋰電池的使用規范和了解手機充電需求，得出系統框架圖，再通過分析充放電需求、過充和過放保護功能，在符合轉化率與散熱及封裝要求的前提下，提出不同的設計方案，經過多次測試后，確定最終方案，從而做出最終產品。

最終產品以三節鋰電芯作為儲能元件，容量理論值為6000mA，但實際測試只有5000mA，可供容量為1900mA的手機充電兩次，轉化率達80%，輸出電壓為5V，輸出電流小于1.5A。其操作簡單，只有一個開關按鈕，并且在體積和重量方面都符合實際要求。

移動電源設計的降壓方面的一次設計嘗試，雖然達到了移動電源的各項指標，但還有很多不足之處，主要是容量較小且存在微小的發熱問題。

在今后的研究中，解決上述問題并且提高其性能和容量。解決移動電源容量較小的根本問題。

［1］郭炳焜.鋰離子電池[M].長沙：中南大學出版社,2009.

［2］馬玉林,尹鴿平.提高鋰電池過充安全性研究進展[J].電源技術,2011，01，20.

［3］王驥,黃慧.手機鋰電池充放電過程研究[J].大學物理實驗,2009，12.

［4］李旭森.手機電池性能測試及方法探討[J].科技與企業,2013，02.

［5］胡黃芳.大功能智能充電器與開關穩壓電源的研究及設計[D].廣東工業大學,2008，05，01.

［6］胡宴如,耿蘇燕.模擬電子技術基礎[M].2 版.北京：高等教育出版社,2010.