帶“電”玩具充電電源管理系統設計

　　劉桄序，劉光乾（四川科技職業(yè)學(xué)院鼎利學(xué)院，成都?611745）

　　摘?要：許多玩具都采用的“可充電”功能，為帶“電”玩具充電電源管理系統的設計工程師們帶來(lái)了難題。

　　本文以典型的恒流充電電源設計、恒壓充電電源設計及恒流恒壓充電電源設計三種進(jìn)行分析，并結合當前最為主流的新型電源管理芯片為應用，給出較為合理的三類(lèi)電路的電源管理系統設計。

　　關(guān)鍵詞：玩具充電；電容充電；電源管理；電源設計

　　0 額定電壓是值考慮

　　玩具一般采用電壓為5 V左右的電源供電電路。由于常見(jiàn)的電池規格有兩種，一種是堿性性電池，電池單元電源電壓為1.5 V，即此類(lèi)規格的電路設計為1.5 V的倍數，如3 V、4.5 V、6 V、9 V等。還有一類(lèi)就是以充電電池單元為設計的電源電路，即以1.2 V為單元電池供電電路設計，常見(jiàn)的為3.6 V、4.8 V、6 V等。而超級電容的單元電壓，根據不同的材質(zhì)不同，在1~3 V之間均有，而常見(jiàn)的超級充電電容電壓為：2.5 V、2.7 V等，這樣，在電容電路中，如要直接替換原堿性電池或鎳氫、鋰離子充電電池，則需要計算電容的電壓和其組合形式。

　　1 充電最大值考慮

　　在選用電容作為儲能元件時(shí)，不能按照常規的充電最大電壓進(jìn)行設置，而只能按照標稱(chēng)電壓進(jìn)行設計。如鋰電池的標稱(chēng)電壓為3.6 V，則實(shí)質(zhì)是最大充電電壓為= 2 ×3.6 V≈4.2 V，取4.2 V為最大值，決不允許超出，否則鋰離子電池就可能被充壞。而鉛酸蓄電池的最大充電電壓，通常也是按 2 倍關(guān)系進(jìn)行設置，但一般沒(méi)做嚴格要求，如電動(dòng)車(chē)內的鉛酸蓄電池，標稱(chēng)為48 V的電池組，理論設置最大充電電壓= 2 ×48 V≈54 V，而在實(shí)際電路應用中充電電路設置最大電壓確為56 V，有些領(lǐng)域的充電電壓達到1.5倍以上，這樣電池也是容易被充壞的（見(jiàn)圖1）。當采用電容為電源單元時(shí)，只能按標稱(chēng)電壓進(jìn)行充電，否則將可會(huì )充爆電容（見(jiàn)圖2）。

　　3 充電電流倍率考慮

　　充電倍率是表征充電電池在充電的時(shí)的快慢一種量度，是指電池在規定的時(shí)間內充電至其額定容量時(shí)所需要的電流值，它在數值上等于電池額定容量的倍數，即“充電電流/電池額定容量=充電倍率”。常規的充電電池電路設計的充電電流倍率經(jīng)典值C=1/10額定電流，也就是充電時(shí)常按照10 h左右進(jìn)行計算。如標稱(chēng)為10 A的蓄電池，其充電電流為1 A，需要充電10 h。這種考慮主要是針對充電電池的化學(xué)特征，為了有效地使用可充電電池，小電流充電勢必是有效保護電池的一種有效方式。

　　電容的充電則是按照時(shí)間常數設定而設計。電容器的充電時(shí)間常數，是電容的端電壓達到最大值的0.63倍時(shí)所需要的時(shí)間，通常時(shí)間達到5倍的充電時(shí)間常數后就認為充滿(mǎn)了（見(jiàn)圖2）。充電時(shí)間常數的大小與電路的電阻有關(guān)，按照公式計算： t RCc =，其中 R 是電阻；C是電容。

　　4 小電流充電電路

　　根據電容器的充電特征可以看出，在充電中是累積電荷進(jìn)行存儲的過(guò)程。在玩具的電路中，由于都是為兒童準備的，故此在電路設計中采用小電流充電，滿(mǎn)足一些小功耗的電路是完全可行的。比如，玩具車(chē)的遙控器，這種耗電小的電路供電，即可采用小電流充電滿(mǎn)足要求。

　　此處以TPS 7A78為例，設計一款小于300 mA的為電容充電的電路。TPS 7A78有較高的整體效率，采用內部半橋降壓的模式進(jìn)行降壓，減少了外圍電磁元件的換能降壓，只用外部電容器來(lái)主動(dòng)鉗制和校正準確的輸出電壓。改電源電路內部獨特的架構，允許備用功率將從幾100 mW減少到只有幾 mW，自損耗相當的小。采用內部泵電源電路與外部電容器結合，電路整體積可以做到很小能方便嵌入到玩具內。

　　圖3所示電路為T(mén)PS 7A78實(shí)現5 V/300 mA的充電電路充電采用編程方式進(jìn)行控制，能為一些小功耗玩具的電容充電。

　　根據實(shí)際的對22 F/5 V單體電容進(jìn)行充電，實(shí)測充電圖形如圖4所示。

　　5 電容恒流恒壓充電系統

　　電容充電都要求是恒壓的，這樣才能保證電容的電壓穩定且不會(huì )被過(guò)高電壓過(guò)充電而導致電容鼓包等損壞，并且電容的充電與電壓是沒(méi)有關(guān)系的，只與時(shí)間常數有關(guān)。但為了快速地充電，有效地保證時(shí)間常數的有效性，在最短的時(shí)間內充滿(mǎn)電，就必須保證有能充滿(mǎn)電容存儲電量的電能供給滿(mǎn)足。故此，在實(shí)施充電電路中，經(jīng)常采用恒流恒壓的電源充電，以保證電容充電的電荷存儲量。

　　此處為“帶電玩具”設計的便攜式USB充電電源管理系統，就是將充電電源以恒流恒壓的形式為電容進(jìn)行充電。本文設計采用TI公司新型鋰電池充電芯片系列BQ2405X系列中的BQ24050。BQ24050本身定義為度集成的鋰離子線(xiàn)性充電器芯片，電源輸入具備USB端口或交流適配器輸出兩種，適應較高的電源輸入，且具有輸入電壓保護。BQ 24050只有一個(gè)電源輸出，為電池充電,充電分具備恒流和恒壓功能。在充電階段，由于設計有內部控制回路監測IC結溫度，并在超過(guò)內部溫度閾值時(shí)降低電荷電流，以有效保護充電時(shí)的過(guò)電流。

　　BQ 24050內設電功率級和電荷電流感知函數完全結合電路，充電電路具有高精度的電流和電壓調節回路、充電狀態(tài)顯示和充電終止功能。預置電流和終止電流閾值是通過(guò)外部電阻編程的?？焖匐姾呻娏髦狄部赏ㄟ^(guò)外部電阻進(jìn)行編程而設定，圖5所示為基于BQ24050的800 mA恒流恒壓充電電路。

　　由于BQ24050本身為鋰電池充電控制芯片，本身對恒流恒壓及保護電路有著(zhù)嚴格的定義，特別是在保護電路中，具有電壓、電流及溫度方面的保護。

　　經(jīng)過(guò)電路充電測試，獲得圖6所示充電波形，從建立充電的準備期，快速進(jìn)行恒壓恒流充電，到恒壓浮充后減小電流截止提供電流，充電結束。

　　6 結論

　　目前帶“電”玩具的電容充電管理電路，將會(huì )應用到未來(lái)一段時(shí)間的玩具電源市場(chǎng)。本文所探討的還是立足于帶線(xiàn)的充電方式，不論是220 V降壓充電還是USB電源充電，都是當前的最流行的玩具充電方式之一。而未來(lái)的玩具充電，電容作為儲能元件是長(cháng)期應用的一種趨勢，充電模式也會(huì )在未來(lái)采用無(wú)線(xiàn)充電的模式，無(wú)線(xiàn)充電的電源電容充電與本文又有一些區別，不在本文的電源充電管理之中。

　　作者簡(jiǎn)介

　　劉桄序（1977—），高級工程師，工程碩士，副院長(cháng)，主要研究方向：嵌入式、智能硬件方向。

　　劉光乾（1975—），工程師，教師，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò )方向。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第55頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。