可供便攜式設備充電的移動電源設計*

劉偉達,董林璽

(杭州電子科技大學射頻電路與系統教育部重點實驗室,杭州 310018)

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可供便攜式設備充電的移動電源設計*

劉偉達,董林璽*

(杭州電子科技大學射頻電路與系統教育部重點實驗室,杭州 310018)

摘要:針對便攜式設備續航時間短的問題,設計了一款能夠在戶外供其他移動數碼產品充電的移動電源。此款移動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到2 A,比普通產品的1 A電流高出1倍,并具有很好的安全性和人性化設計。著重分析了移動電源系統中各模塊的電路設計,參數設置和工作效率等問題,為設計一款性能優良的移動電源提供了解決方案。

關鍵詞:移動電源;鋰電池充電;DC-DC升壓;過流保護

隨著數字技術的飛速發展,使得手機、平板電腦、照相機等移動數碼產品市場出現了迅速增長的局面。國際數據公司(IDC)的跟蹤報告顯示,僅2013年第1季度,中國手機出貨量就有9 700萬部,與2012年同期相比增長了15%。其中智能機出貨量為7 800萬部,同比增長117%。移動數碼產品的發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;功能的多樣化又會加速電池能量的消耗,大幅度縮短了便攜式設備的工作時間[1-2]。文中所述此款移動電源的設計,可以作為便攜式設備的充電電源使用,可對便攜式設備進行多次充電,從而延長便攜式設備在戶外的續航時間。相對于市場上的同類產品,此款移動電源增大了自身的充電電流,縮短了移動電源在給自身充電的時候所需的等待時間;優化了升壓電路,USB口具有輸出2 A電流的能力,輸出電壓平穩;提高了電路的安全性,增加了過流、過壓、欠壓等保護電路;并具有自動識別負載和關機的功能。

1　系統工作原理概述

移動電源系統結構框圖如圖1所示,系統主要由以下幾個模塊組成:鋰電池充電模塊、DC-DC升壓模塊、電路保護模塊和單片機控制模塊[3]。在戶外用移動電源給數碼產品充電的時候,移動電源的能量來自于自身攜帶的大容量鋰電池組。充電模塊就負責給鋰電池組充電,模塊中采用杭州標源微電子有限公司生產的ASC8513芯片,最大充電電流可以達到2.5 A;升壓模塊負責將電池的電壓由3.7 V升壓到5 V,給消費者手中的移動數碼產品充電;電路保護模塊負責監測系統的電流、電壓等是否正常;單片機控制模塊主要負責各模塊中芯片的控制,參數的計算以及顯示系統的使用狀態。

圖1　移動電源系統框圖

2　系統硬件設計

2.1鋰電池充電模塊

ASC8513是開關式、同步整流單節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,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2 A。ASC8513集成了過溫保護、短路保護等功能,2個LED燈分別指示電池充電狀態和充飽狀態。ASC8513的電路結構如圖2所示。

圖2　ASC8513電路結構圖

2.1.1主要參數設置與原件的選取:

(1)恒流充電電流(ICC)設置

通過設置RSNS和RISET的值可以設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,典型值為1 000。VISET是ISET管腳的電壓,內部設定為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%。在大多數的應用場合,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,電池的參數為:開路電壓3.54V,容量4 000mAh。測得數據如表1。

表1　ASC8513充電效率測試

2.2升壓模塊

移動電源自身鋰電池組的標稱電壓是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備充電。系統中采用ME2109升壓芯片來完成升壓模塊的功能。ME2109由基準電壓源、振蕩電路、誤差放大器、相位補償電路和PWM/PFM切換控制電路等構成的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,可以調整PWM的占空比,從而調整輸出電壓的大小。輸出電壓滿足下列關系:

(4)

2個反饋電路應滿足: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“等效串聯電阻”的存在,會使得電容兩端的電壓產生突變。因此在大多數的場合下,我們應選擇等效串聯電阻較小的鉭電容。實驗測得,當EC2分別為220μF電解電容和220μF鉭電容的時候,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。鉭電容的價格比較高,如果在實際的生產中受到成本的限制,可采用容值大的電解電容和容值小的陶瓷電容并聯來使用[4]。

在升壓電路中,轉化效率η是很重要的指標,轉化效率的計算公式如下:

(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,故規定輸入電壓在3.7V左右時,測得的轉化效率如圖6所示。由圖6可知,當電流小于1.2A的時候都具有較高的轉化效率,之后隨著電流的增大,轉化效率相應的減小。

圖6　升壓模塊的轉化效率

2.3電路保護模塊

為了提高移動電源使用的安全性,系統設計了輸出端口的過流保護,如果輸出端口電流超過2 A,升壓電路將不再工作[6],同時單片機檢測到過流之后,關斷輸出口負端與地的連接,這樣移動電源就不會給負載供電了[7-8]。過流保護的電路圖如圖7所示。

圖7　過流保護電路圖

圖7主要是一個同相比例放大電路[9],輸出電壓Vout滿足下式關系:

(6)

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

此外,系統中采用DW01芯片,對自身攜帶的鋰電池組進行了短路、過壓、欠壓的保護,進一步確保了這款移動電源使用的安全性。

3　系統控制過程及實物圖

為了消費者更方便的使用,此款移動電源增加了自動識別負載和自動關機的功能,并通過4盞LED指示燈時時顯示移動電源自身的電量[10]。主控軟件流程圖如圖8所示。

圖8　主控軟件流程圖

最終的實物如圖9所示。

圖9　移動電源實物圖

4　結束語

本文介紹了移動電源的主要組成模塊,并分析了各模塊的設計要點,提供了一套可實施的電路方案。此款移動電源的應用能夠讓便攜式設備擁有更大的續航能力。

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[10]曹志鵬,王健.便攜式儀表鋰電池充電管理和電量檢測的實現[J].電子器件,2010,33(1):98-100.

劉偉達(1988-),男,漢族,浙江臨海人,杭州電子科技大學碩士研究生,主要研究方向為開關電源、電子信息集成技術,liuwd7851@126.com;

董林璽(1976-)男,漢族,山東壽光人,博士,教授,杭州電子科技大學碩士生導師,主要研究方向為超高精度MEMS傳感器技術、RF-MEMS、MEMS諧振器、嵌入式控制、鋰電池充電技術等,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

文獻標識碼: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

項目來源:2013年浙江省大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃)(2013R407067)