軟件版移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

應(yīng)惠明

摘 要：現(xiàn)如今，由于智能手機(jī)的普及隨即產(chǎn)生了對(duì)手機(jī)移動(dòng)電源的大量需求，手機(jī)移動(dòng)電源（俗稱手機(jī)充電寶以下簡稱移動(dòng)電源）的基本功能就是提供電能輸出為手機(jī)充電，并且要求儲(chǔ)能高體積小攜帶方便，其自身具備可充電功能可以反復(fù)使用。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)電源；軟件；電池

1 移動(dòng)電源的基本構(gòu)成

移動(dòng)電源的基本構(gòu)成包括可充電電池組，充電控制電路（對(duì)移動(dòng)電源充電），輸出電路（移動(dòng)電源輸出對(duì)手機(jī)充電），各種保護(hù)電路等。由于高能效體積比的要求電池組目前基本上都是采用可充電鋰電池組包括鋰離子電池組和聚合物電池組，二種電池組尺寸形狀不同性能基本相當(dāng)使用量也相當(dāng)。移動(dòng)電源的技術(shù)關(guān)鍵在于電路，其電路實(shí)現(xiàn)方法有多種，基本可分為硬件版和軟件版二種類型，現(xiàn)簡單介紹二種類型的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)：

關(guān)于硬件版：其特點(diǎn)是各電路全部使用硬件電路實(shí)現(xiàn)，充電控制電路使用充電控制芯片，充電控制芯片常用的有TP4056，CHK0501等，一般充電電流只能做到1A以下，充電電流過大會(huì)造成發(fā)熱厲害，由于體積空間小散熱成問題；輸出電路使用單獨(dú)的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快電壓特性好，缺點(diǎn)是靜態(tài)功耗大，也即自耗電大；電源的電量指示沒有或者要另加電路；無附屬功能；保護(hù)電路要根據(jù)要求單獨(dú)設(shè)立，這樣元件較多。

關(guān)于軟件版：其特點(diǎn)是使用一個(gè)專用單片機(jī)來控制外圍電路元件來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用單片機(jī)的強(qiáng)大軟件功能實(shí)現(xiàn)充電電路，輸出電路，保護(hù)電路的三合一功能。充電和放電可以復(fù)用一個(gè)N+P的MOS管，充電和放電可以復(fù)用同一個(gè)電感線圈，再配合檢流電阻可以實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。其特點(diǎn)是充電電流大，功能強(qiáng)，元件少，靜態(tài)功耗小，自帶電池電量指示，附帶手電筒功能，缺點(diǎn)是軟件響應(yīng)速度比不上硬件，要克服該缺點(diǎn)就要在軟件處理上下功夫。

以下圖1是硬件版移動(dòng)電源的電路原理框圖，圖2是軟件版移動(dòng)電源的電路原理框圖，方便做一個(gè)簡單了解：

以上對(duì)移動(dòng)電源做了一點(diǎn)簡單介紹，接下來詳細(xì)分析設(shè)計(jì)軟件版的移動(dòng)電源。

2 設(shè)計(jì)目的

設(shè)計(jì)一套適合移動(dòng)電源應(yīng)用的電路和配套軟件，要求體積小重量輕，電流大，工作穩(wěn)定可靠，具備過流保護(hù)，短路保護(hù)，電池過壓欠壓保護(hù)，帶4燈LED電量指示，附帶手電筒功能。

3 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)目的，采用專用MCU做軟件版的移動(dòng)電源最合適，MCU優(yōu)選CHK8109，采用CD75電感4.7uH，主MOS管采用N+P的SI4606MOS貼片管，配合簡單幾個(gè)元件即可實(shí)現(xiàn)完整的功能。電路原理圖見圖03，該電路可以實(shí)現(xiàn)充電最大電流2A，輸出最大電流2.5A，效率>=90%，充電自適應(yīng)充電，輸出自動(dòng)限流，短路自動(dòng)保護(hù)，去短路后自動(dòng)恢復(fù)，電池過充過放自動(dòng)保護(hù)，具備負(fù)載自動(dòng)檢測電路，靜態(tài)功耗極低。以下對(duì)各功能電路作詳細(xì)分析：

（1）充電電路原理：見圖3充電部分由以下元件構(gòu)成，C1，D1，U2，L1，R6，R14，R15受U1 MCU控制，C1為充電輸入濾波電容；D1為防反二極管；U2，L1與輸出電路共用受MCU的14腳PWM2控制，實(shí)現(xiàn)PWM開關(guān)式充電；R6是充電檢流電阻，R6，R7，R8，C7為充電及輸出共用的檢測電流及濾波電路；MCU通過7腳檢測來自R14，R15的充電輸入電壓來判定有無充電器插入，當(dāng)有充電器插入時(shí)MCU的7腳電平變高，MCU隨即通過14腳PWM2輸出PWM開關(guān)信號(hào)到U2的MOSFET-P管，控制P管的通斷實(shí)現(xiàn)開關(guān)式充電，U2的MOSFET-N管處于關(guān)斷狀態(tài)但在此時(shí)N管的自身的體二極管正好充當(dāng)開關(guān)電路的續(xù)流二極管（見圖4），與電感L1一起實(shí)現(xiàn)高效開關(guān)換能，充電電流大發(fā)熱小損耗低，充電電流的大小由MCU通過10腳檢測R6的壓降來控制，由于采用MCU控制PWM開關(guān)式充電，MCU自動(dòng)檢測充電器的電壓及充電壓降實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)充電，通用高功率充電器或小功率充電器，本電路自適應(yīng)。

（2）輸出電路原理：見圖3輸出部分由以下元件構(gòu)成， U2，L1，C3，

C4，C2，Q3，R7，R9受U1 MCU控制，C3，C4，C2為輸出濾波電容；Q3為輸出打開關(guān)閉控制管；R7是輸出檢流電阻；U2，L1受MCU的1腳PWM1控制和14腳PWM2控制，實(shí)現(xiàn)同步式PWM開關(guān)式DC-DC轉(zhuǎn)換；當(dāng)MCU的9腳通過R9檢測到輸出有負(fù)載時(shí)可以自動(dòng)啟動(dòng)5V輸出給手機(jī)充電（或者通過按一下按鍵開關(guān)也可以啟動(dòng)輸出），其工作模式為同步式DC-DC轉(zhuǎn)換，通過L1，U2將電池的電源轉(zhuǎn)換為5V標(biāo)準(zhǔn)USB電壓輸出給手機(jī)，其中U2的MOSFET-N管為主開關(guān)管，U2的MOSFET-P管為同步續(xù)流管，P管的體二極管同時(shí)兼作同步轉(zhuǎn)換間隙時(shí)的續(xù)流管用（見圖4），同步轉(zhuǎn)換的原理就是N管P管輪流導(dǎo)通而且要保持好轉(zhuǎn)換的上升下降沿間隙防止共態(tài)導(dǎo)通，這樣的同步轉(zhuǎn)換電路效率可以達(dá)到90%以上，而且電路受MCU控制，MCU可以輕易檢測負(fù)載功率大小輸出電流大小及短路等，MCU通過軟件控制實(shí)現(xiàn)輸出功率限制電流限制短路保護(hù)，實(shí)現(xiàn)空載時(shí)自動(dòng)延時(shí)關(guān)斷省電，靜態(tài)時(shí)電路僅MCU自耗電而MCU又可工作于休眠模式，本電路靜態(tài)自耗電小于5微安。

（3）其它：本電路附帶手電筒功能，MCU通過5腳輸出控制手電筒的開啟和關(guān)閉，按鍵雙擊即打開或關(guān)閉手電燈，按鍵單擊為開啟5V輸出。本電路附帶電池電量指示燈，4個(gè)電量指示燈指示4級(jí)電池電量，第1燈25%第2燈50%第3燈75%第4燈99%，指示燈控制腳和按鍵引腳共用采用MCU掃描方式工作，電池電量計(jì)算由MCU內(nèi)部完成無需增加額外電路。U3 TL431為外置電壓基準(zhǔn)，為MCU提供2.5V基準(zhǔn)電壓，其工作也由MCU控制，靜態(tài)時(shí)關(guān)閉省電。

（4）安全：本方案具有高可靠高安全性，鋰電池組外加保護(hù)板為第一層保護(hù)，而MCU實(shí)現(xiàn)第二層的多重保護(hù)，MCU的保護(hù)包括充電時(shí)的過充過流過壓保護(hù)，輸出時(shí)的過流超載保護(hù)和短路保護(hù)，MCU的保護(hù)還包括手電筒燈延時(shí)1小時(shí)關(guān)斷功能，當(dāng)手電筒燈忘記關(guān)閉時(shí)1小時(shí)后自動(dòng)關(guān)閉。

（5）特色：高效（充電及輸出均為高效PWM轉(zhuǎn)換）；簡潔（電路設(shè)計(jì)多重元件充電及輸出共用省成本又高可靠）；通用（自適應(yīng)充電通用高功率或小功率充電器，輸出自適應(yīng)通過限流適應(yīng)大小功率負(fù)載）；安全（多重保護(hù)）。