便攜式可充電多路輸出電源設計

陳樹成，楊志勇，王 科，王建佳

（1.成都信息工程學院 電子工程學院，四川 成都610225；2.中國華云氣象科技集團公司，北京100081）

0 引 言

隨著科學技術的發展，各種便攜式產品逐漸深入到人們日常生活的各個環節，如手機、平板電腦及各種測量儀器終端等。電池的待機性能逐漸成為制約各種終端產品發展的瓶頸，小型化、長工作時間也成為電源的內在要求［1］。筆者給出了一種可以與各種便攜式儀器終端配合使用，利用太陽能或USB充電的高效多路輸出的電源設計，該設計基于電流檢測型的升壓芯片MC33063、降壓芯片TPS62064和鋰電池充電管理芯片CN3065，具有外圍電路簡單、體積小、轉換效率高、可靠性高等優點，適用于各類中小功率便攜式儀器設備。試驗及測試結果表明，該電路具有良好的性能和很高的應用價值。

1 系統工作原理

系統的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

從圖1可以看出，太陽能電池板或標準USB端口通過充電保護電路給鋰電池充電，只要鋰電池的電壓未處于飽和狀態，在連接太陽能電池板或USB的時候，就會對鋰電池進行充電；鋰電池通過升壓電路進行升壓，升壓數值確定為常用供電電壓5 V和9 V，其中，5 V和9 V輸出可以通過撥碼開關進行選擇；通過降壓電路將電壓降為常用單片機的標準供電電壓3.3 V；其中升壓和降壓都會使儲存的電能發生損耗，所以通過物理開關或者需要連接使用CPU的IO進行控制，只對需要使用的電壓進行電壓轉換，保證了電池電量的有效利用。電壓輸出端口將可選的升壓值5 V／9 V、降壓值3.3 V和鋰電池自身都進行引出，以滿足不同場合的使用需求。

2 電路設計

2.1 升壓控制電路

MC33063是單片雙極型線性集成電路，片內包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器、驅動器和大電流輸出控制開關，能輸出1.5 A的開關電流。該系列控制芯片可應用于升壓、降壓和倒相應用的設計中，應用時外圍元器件較少，是比較理想的升壓控制芯片［2］。其特點是：輸入電壓范圍3.0 V～40 V，輸出電壓可變，低待機電流，短路電流保護，輸出的開關電流為1.5 A，最高工作頻率100 k Hz，參考電壓精度為2%［3］。所設計的升壓電路如圖2所示。

圖2 升壓控制電路

當圖2中三極管Q3的基極所接電阻R5左端控制端口BOOST＿CONTROL為低時，三極管發射結正偏，集電結反偏，三極管工作在放大區，相當于集電極與發射極連通，集電極處BOOST＋電壓近似等于電池電壓Li＋，升壓電路開始工作；當BOOST＿CONTROL為高時，三極管工作在截止區，三極管的發射極和集電極之間幾乎沒有電流，相當于BOOST＋和Li＋之間斷開，升壓電路停止工作。這樣通過一個電子開關，就可以控制升壓的打開與關閉，該開關可以用一般的物理開關來實現，也可以通過與其他設備CPU的IO端口相連接，通過置0和置1來控制升壓的打開與關閉。

根據所需要的電壓值進行推導計算，輸出電壓UOUT1＝1.25（1＋R7／R9），取 R7＝62 kΩ，R9＝20.5 kΩ的精度為1%的電阻，經過計算可得UOUT1＝5.03 V；同理UOUT2＝1.25（1＋R7／R8），取R7＝62 kΩ，R8＝10 kΩ精度為1%的電阻，經過計算可得UOUT2＝9.00 V，在達到預期結果的同時，5 V與9 V輸出電壓的分壓電阻均選擇R7＝62 kΩ（如圖2所示），對于兩種輸出電壓值可利用撥碼開關來選擇相應的另一個分壓電阻。為了保證兩種輸出電壓值的所有其他參數都相同，兩種升壓的工作頻率不同。定時電容C8決定內部的工作頻率，C8＝0.00004Ton（Ton為開關管的導通時間），開關峰值電流Ipk＝2Iout（1＋Ton／Toff），其中Iout為負載輸出電流，Toff為開關管的截止時間；限流電阻R6＝0.33／Ipk；電 感 的 最 小 值 Lmin＝Ton［（Uin（min）－Usat）／Ipk］，Uin（min）為 輸 入 電 壓 BOOST＋ 的 最 小 值，Usat為輸出開關的飽和電壓，在本式中取1；濾波電容C6＝9IoutTon／Upp，Upp為輸出電壓的紋波；二極管選擇功耗低開關效率較高的肖特基二極管IN5819。電路中還使用了電感L2和大容量電容C7對輸出電壓進一步濾波，以得到較穩定的輸出電壓。

2.2 降壓控制電路

考慮到本設計可能會為常用的單片機系列產品供電，而常用的單片機如51系列、AVR和MSP430等的供電均為標準的3.3 V，所以設計了鋰電池轉3.3 V降壓電路。該電路基于TI公司的TPS62046芯片。TPS6204X系列芯片是高效率同步降壓的DC－DC轉換器，非常適合于電池供電的便攜式應用，尤其是單節鋰電池供電的設備。其輸出電壓為0.7 V～6.0 V，可以支持內含DSP處理器的低電壓PDA設備、掌上電腦和小筆記本。TPS6204X系列工作在固定的開關頻率1.25 MHz，在整個負載電流范圍內都能進入省電模式并且保持較高的轉換效率。對于低噪聲的應用設備，該器件可以通過拉高MODE腳進入固定頻率的PWM模式。其主要特性是：高達95%的轉換效率，典型靜態電流18μA，輸出電流1.2 A，輸入電壓2.5 V～6.0 V，固定開關頻率1.25 MHz，內部軟啟動，可調整輸出電壓和短路保護［4］。

降壓控制電路如圖3所示。

圖3 降壓控制電路

雖然該電路具有內部使能啟動功能，但是考慮到有時不接CPU使用，所以TPS62046的使能引腳EN始終拉高，由三極管來控制降壓電路的打開與關閉。當圖3中三極管Q4的基極所接電阻R11的左端控制端口STEPDOWN＿CONTROL為低時，集電極與發射極連通，集電極出STEPDOWN處電壓近似等于電池電壓Li＋，降壓電路開始工作；當STEPDOWN＿CONTROL為高時，相當于STEPDOWN和Li＋之間斷開，降壓電路停止工作。其控制和升壓電路的控制基本相同，不再贅述。

該電路中的電感為TPS6204 X系列芯片所使用的標準6.2μH，更大或更小的電感值可以用來優化特定操作條件下該設備的性能。所選擇的電感具有其直流額定電阻和飽和電流，電感的直流電阻直接影響轉換效率，因此應選擇具有最低直流電阻的電感以得到最高的轉換效率［4］。綜上選擇Su mida的型號為CDRH5 D28－6R2的電感。

TPS6204X系列的降壓轉換器具有輸入電流波動，所以應選擇具有低等效串聯電阻的輸入電容，以達到良好的濾波效果，排除電壓尖峰干擾。輸入電容的最低值應為22μF，可以適當提高輸入電容達到更好的濾波效果［4］。電容可以為電解電容、鉭電容或者高品質的疊層陶瓷電容。測量得出，330μF的鉭電容具有更好濾波效果。輸出端的濾波電容最低值同樣為22μF，為了能夠提供更大的負載電流，輸出電容盡量選取較大值，測量得出470μF的鉭電容作為輸出電容能夠得到1.15 A的大電流，輸出電壓值為3.31 V。

2.3 鋰電池充電電路及保護電路

2.3.1 鋰電池充電電路

CN3065是用太陽能板供電的單節鋰電池充電管理芯片。該器件內部包括功率晶體管，應用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。內部的8位模擬－數字轉換電路，根據輸入電壓源的電流輸出能力自動調節充電電流，使用時不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能板等電流輸出能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應用。熱調制電路可以在器件的功耗比較大或者環境溫度比較高的時候將芯片溫度控制在安全范圍內。內部固定的恒壓充電電壓為4.2 V，也可以通過一個外部的電阻調節。充電電流通過一個外部電阻設置。當輸入電壓掉電時，CN3065自動進入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于3μA。其他功能包括輸入電壓過低鎖存，自動再充電，電池溫度監控以及充電狀態／充電結束狀態指示等功能［5］。

CN3065充電電路如圖4所示，本設計中的充電電路選擇4.2 V恒壓充電。圖4中SUN和USB分別接5 V太陽能正輸入端和USB正輸入端，由兩個二極管隔離，當不接USB時，只由太陽能電池板提供充電電壓，反之亦然。當接USB并且太陽能電池板也工作時，選擇較高的電壓作為充電電壓。

圖4 鋰電池充電管理電路

當輸入電壓大于低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3065開始對電池充電，CHRG 管腳輸出低電平，表示充電正在進行，同時紅色發光二極管D3亮；如果電池電壓檢測輸入端（FB）的電壓低于3 V，充電器用小電流對電池進行預充電；當電池電壓檢測輸入端（FB）的電壓超過3 V時，充電器采用橫流模式對電池充電［5］。充電電流ISET由ISET管腳和EGND管腳之間的電阻R13確定，ISET＝1 800 V／R13，ISET單位為安培，R13電阻單位為歐姆，本設計充電電流為900 mA，所以電阻R13的取值為2 000Ω。

當電池電壓檢測輸入端（FB）的電壓接近電池端調制電壓時，充電電流逐漸減小，CN3065進入恒壓充電模式。當輸入電壓大于4.45 V，并且充電電流減小到充電結束閾值時，充電周期結束，CHRG管腳輸出高電平，DONE管腳輸出低電平，紅色發光二極管D3滅，綠色發光二極管D2亮。當輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進入低功耗的睡眠模式［5］。另外，圖4中接地端為EGND是考慮到下文中的充電保護電路。

2.3.2 鋰電池充電保護電路

在充電管理電路的基礎之上加裝鋰電池充放電保護電路，進一步確保鋰電池不至過充電、過放電而損壞。鋰電池充放電保護電路如圖5所示。S－8261系列內置高精度電壓檢測電路和延遲電路，是用于鋰離子、鋰聚合物可充電電池的保護IC，該IC最適合于對1節鋰離子或鋰聚合物電池的過充電、過放電和過電流保護［6］。

圖5 鋰電池充放電保護電路

S－8261的作用是通過監測連接在VDD與VSS之間的電池電壓及V M－VSS間的電壓差而控制充電和放電。電池電壓在過放電檢測電壓以上且在過充電檢測電壓以下，V M引腳的電壓在充電檢測電壓以上且在過電流檢測電壓以下的情況下，充電控制用的FET和放電用的FET兩端均打開（本設計充電用FET和放電用FET選擇集成模塊8205 A），這時可以進行自由的充電和放電。在電池放電狀態下，由于放電電流在額定值以上，V M引腳的電壓在過電流檢測電壓以上，且這個狀態持續在過電流檢測延遲時間以上的場合，關閉放電控制用FET停止放電。這個狀態叫做過電流狀態。電池電壓在充電中超過過充電檢測電壓，保持在過充電檢測延遲時間以上時，關閉充電用FET，停止充電，這個狀態叫過充電狀態。通常電池電壓如果在放電中處于過放電檢測電壓之下，并且保持這個狀態在過放電檢測延遲時間以上時，將關閉放電控制用FET，停止放電，這個狀態叫過放電狀態。該充放電保護電路還能夠進行充電器的檢測和異常充電電流的檢測［6］。圖5中EB－是與圖4中EB－相連，同時與圖4中EGND連接，起到充放電保護作用。

電路中電阻R1至少為300Ω，本設計中采用470 Ω；VDD與VSS之間的電容如果小于0.022μF，在負載短路檢測時DO有可能發生振蕩，所以電容C1一定要大于0.022μF，設計電路中采用0.1μF的典型值；為控制充電器逆連接時的流經電流，應盡可能選取較大的電阻值，設計中選取2 kΩ。

3 測試結果

對設計的電路進行測試，得到如下測試結果：對于5 V的升壓，輸出電流為265 mA，輸出電壓的紋波峰值為65.5 mV，紋波系數為1.30%，轉換效率為84.2%；對于9 V的升壓，輸出的電流數值為152 mA，輸出電壓的紋波峰值為95.2 mV，紋波系數為1.06%，轉換效率為81.7%；對于3.3 V 的降壓，輸出電壓的紋波峰值為45.1 mV，紋波系數為1.36%，轉換效率為90.9%。對于充電電路，采用5 V／6 W的太陽能電池板，正午陽光充足的時候充電電流可達815 mA，滿足快速充電的需求。

經測試，設計的5 V輸出可以為手機正常充電，使5 V供電的傳感器正常工作；9 V輸出可以使得9 V供電設備正常工作；3.3 V輸出能夠為常用的單片機供電，如AT89C51系列，MSP430系列等；鋰電池自身的輸出能夠驅動大電流供電設備正常工作，如GSM模塊等。

4 結束語

該設計電路結構簡單，外圍元器件較少，成本較低，方便攜帶，可靠實用。長期運行試驗結果表明，電路運行穩定，輸出電壓紋波系數較小，轉換效率較高，充電電流較大，能夠滿足常用便攜式設備的使用需求，有著廣闊的發展空間。

［1］ 管小明，李躍忠，王曉娟.基于MC34063的便攜式儀器電源電路設計［J］.東華理工大學學報，2010，33（1）：97－100.

［2］ 趙軒坤，楊日杰，龔思揚.基于MC34063的隔離式DC－DC電路設計與實現［J］.電子測量技術，2012，35（12）：35－37.

［3］ 孫曦東，刑 壯.MC34063DC／DC轉換控制電路測試方法概述［J］.電子與封裝，2013，13（5）：9－11.