多功能隨身電源系統方案

　　摘要： 本文設計了一種高效、低功耗的多功能隨身電源。該設備作為電源儲備，為手機、mp3、mp4等電子設備提供多次、充足的電能。此外，該設備還能適應戶(hù)外活動(dòng)幾種常見(jiàn)的需要。

　　關(guān)鍵詞： 隨身電源;移動(dòng)設備;鋰離子電池

　　引言

　　現在市場(chǎng)上，便攜式電子設備越來(lái)越多，但此設備的電池容量和功耗卻遠遠不足市場(chǎng)的要求，對日常生活特別是戶(hù)外生活造成諸多不便。為此，制作多功能、高效、低耗、安全的隨身電源，以滿(mǎn)足戶(hù)外需求，將有很大的實(shí)用價(jià)值。

　　鋰離子電池具有體積小、重量輕、比能量高、壽命長(cháng)、可快速充電等優(yōu)點(diǎn)。相較于其它類(lèi)型的電池而言，具有明顯優(yōu)越的綜合性能。鋰離子電池的高效快速充電將成為一種趨勢。另外，它的特點(diǎn)決定了它要求有性能完備、安全可靠的充電管理電路。隨著(zhù)人們日常外出活動(dòng)的頻繁，多功能大容量的移動(dòng)電源將會(huì )成為市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的另一個(gè)主要的方向。

　　根據以上的趨勢，本文設計了一種高效、低功耗、高容量、安全可靠、可行性高的隨身電源電路的設計。

　　多功能隨身電源的系統設計

　　如圖1所示，本文論述的電路系統設計由五部分組成：鋰芯容量指示電路、鋰芯保護電路、充電管理電路、DC-DC升壓電路和功能擴展電路。鋰芯容量指示電路由日本理光公司XC61CC系列的電壓監控芯片組成。鋰芯保護電路由過(guò)充保護、過(guò)放保護、過(guò)溫保護、過(guò)流四重保護組成。充電管理電路采用了上海如韻的CN3066芯片，將充電過(guò)程分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和維護充電四個(gè)部分，使移動(dòng)隨身電源能夠最大程度地儲備能量。DC-DC升壓電路采用了美信公司的MAX1771集成芯片，可將鋰芯容量在安全范圍內最大限度釋放，達到對多種數碼設備供電輸出的目的。功能擴展涵蓋了戶(hù)外活動(dòng)所能涉及的常見(jiàn)需求，具有應急夜間高亮照明、戶(hù)外防盜安全警報，野營(yíng)驅蚊等功能，人性化的功能使產(chǎn)品更具創(chuàng )新特色并開(kāi)闊了產(chǎn)品將來(lái)的應用市場(chǎng)前景。

圖1  系統設計框圖

　　多功能隨身電源的電路實(shí)現

　　鋰芯保護電路

　　如圖2所示，鋰芯保護電路主要由理光公司R5402芯片和日立公司HAT2027 MOS場(chǎng)效應集體管共同組成。除此之外，自恢復保險絲起到了最后一層保護的作用。

圖2  鋰芯保護電路

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　　R5402是一種高精度鋰芯電池電壓保護用的CMOS芯片。HAT2027是電流流通方向可調的雙MOS器件。

　　充電時(shí)，電池電壓從低往高上升，當電池電壓大于4.25V時(shí)，充電狀態(tài)被鎖存，管腳COUT就會(huì )從高電平跳為低電平，HAT2027內置二極管發(fā)揮單向導通作用。電流方向只能從1腳到3腳。充電電源無(wú)法繼續給鋰芯充電。只有當過(guò)充時(shí)，斷開(kāi)充電電源，過(guò)充鎖存狀態(tài)才會(huì )被釋放，COUT重新變?yōu)楦唠娖?，HAT2027的1、3管腳此時(shí)雙向導通，鋰芯才能正常工作。

　　放電時(shí)，電池電壓從高往低下降，當電池電壓小于2.3V時(shí)，放電狀態(tài)被鎖存，管腳DOUT的輸出從高電平跳為低電平，HAT2027內置二極管發(fā)揮單向導通作用。電流方向只能從3腳到1腳。鋰芯電池組無(wú)法繼續給負載放電。只有當過(guò)放時(shí)，接上充電電源，當鋰芯電壓開(kāi)始高于過(guò)放電壓時(shí)，過(guò)放鎖存狀態(tài)就會(huì )被釋放，同時(shí)管腳DOUT的電壓重新變?yōu)楦唠娖?，HAT2027的1、3管腳雙向導通，鋰芯既能工作在放電狀態(tài)又能工作在充電狀態(tài)。

　　當鋰芯短路時(shí)，DOUT跳到低電平。此時(shí)，鋰芯受HAT2027控制無(wú)法放電，起到鋰芯保護作用。與此同時(shí)，短路的大電流使自恢復保險絲受熱膨脹，電路切斷，起到最后一層保護作用。當短路故障排除，自恢復保險絲恢復，R5402檢電器釋放，DOUT重新恢復高電平。

　　該電路還增設了“休眠”的功能，以及瞬時(shí)監控功能。設計時(shí)，在鋰芯負極取一個(gè)電壓接到R5402的V管腳，內置檢電器的延時(shí)可以減少大概1/57秒。因此，可以監測電池容量瞬時(shí)狀態(tài)。

　　DC-DC升壓電路

　　本系統中，DC-DC升壓電路主要由MAX1771構成，該控制器采用獨特的控制方案，結合PFM(脈沖頻率調制)及PWM(脈沖寬度調制)的優(yōu)越性，提供一個(gè)高效、較寬電壓調節范圍的電源。前者具有較小的靜態(tài)電流，輕載情況下效率較高，但紋波較大。后者在重載情況下具有較高的效率，噪聲小。該控制器采用的是一種改進(jìn)型的限流PFM控制方式，控制電路限制電感充電電流，使其不超過(guò)某一峰值電流。既保持了傳統PFM的低靜態(tài)電流，同時(shí)在較重負載下也具有很高的效率，而且由于限制了峰值電流，采用很小體積的外圍元件就可獲得滿(mǎn)意的輸出紋波，這樣便于降低電路成本及電路的尺寸。

　　如圖3所示，將4管腳SHDN接地，可使其工作在閉環(huán)狀態(tài)。芯片由2管腳上的電壓供電，同時(shí)也是輸出電壓。輸入電壓可以從2V到輸出電壓變化。外接MOS管柵極的1管腳上的電壓從輸出電壓到零電平跳變，這樣可以提供更大的柵極驅動(dòng)，從而減小外接MOS管的開(kāi)啟電阻。

圖3  DC-DC升壓電路設計

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　　MAX1771的外接MOS管平時(shí)是關(guān)閉的，此時(shí)電感儲能。關(guān)閉期間MAX1771會(huì )檢測外部輸入電壓，一旦降低到了一定限度，MAX1771就會(huì )開(kāi)啟外部MOS管，電感釋放能量，重新提供驅動(dòng)電壓。開(kāi)關(guān)頻率隨負載電流和輸入電壓而定。5V電壓通過(guò)兩個(gè)反饋電阻分壓得到。

　　此外，整流二極管選用肖特基二極管SS34，該器件正向導通電壓小，響應時(shí)間快。

　　鋰芯容量指示電路

　　電池容量應該以電流對時(shí)間的積分即毫安時(shí)來(lái)度量,有專(zhuān)門(mén)的芯片能夠勝任，但成本較高。而在本系統電路設計中，采用了一種比較簡(jiǎn)單而且實(shí)用的方法，即通過(guò)測試鋰芯電池放電時(shí)的電壓時(shí)間特性曲線(xiàn)，選取整個(gè)放電過(guò)程的四個(gè)位點(diǎn)電壓，用電壓來(lái)估算電池的容量。電壓指示電路選用了日本特瑞仕公司的XC61系列芯片。

　　如圖4所示，當按下電壓容量指示的功能按鍵，鋰芯的電池電壓會(huì )加到XC61系列芯片的VIN與VSS管腳上。當電壓高于4.1V，四個(gè)芯片同時(shí)工作，電池與限流電阻、LED形成四個(gè)回路。此時(shí)四個(gè)LED同時(shí)發(fā)亮，表示電池容量飽和。當電池電壓在4.1V到3.8V之間，只有三個(gè)芯片工作，三個(gè)LED發(fā)亮，表示電池容量有所下降。同理可知其它的兩種情況。

圖4  鋰芯容量指示電路

　　充電管理電路

　　充電管理電路由CN3066和繼電器構成，如圖5所示，當隨身電源監測到有充電器對其充電時(shí)，繼電器令CN3066開(kāi)始工作，CN3066將整個(gè)充電管理過(guò)程應該分為四個(gè)部分，即預充電、恒流充電、恒壓充電以及維護充電。

圖5 充電管理電路及其充電過(guò)程

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　　當CN3066開(kāi)始工作時(shí)，CN3066會(huì )檢測電池電壓是否較低，如果是則采用涓流充電，直至電池電壓上升到一個(gè)安全值。之后，充電電流保持不變的較大值，通常是涓流充電電流的10倍或更大。1000mAh的電池采用700mA電流充電。這可以避免大電流充電對鋰芯的損壞。充電管理芯片連續監控電池的電壓，當單節鋰電池的電壓達到4.2V，恒流充電狀態(tài)結束，轉入恒壓充電狀態(tài)。在該狀態(tài)下，充電電壓恒定在4.2V。當鋰芯的電流下降為原來(lái)1/10之后，恒壓充電狀態(tài)結束。維護充電狀態(tài)是在電池充足電后，若移動(dòng)電源仍插在充電器上，電池會(huì )由于自放電而損失電量。CN3066以非常小的電流對鋰芯充電或是監測電池電位以備對鋰芯再充電，這種狀態(tài)稱(chēng)為維護充電狀態(tài)。

　　在本電路中，CN3066會(huì )時(shí)時(shí)監測鋰芯的電壓、溫度、充電電流和充電時(shí)間。一旦電池的溫度達到60℃或者鋰離子電池的電壓達到4.2 ，恒壓充電狀態(tài)自動(dòng)終止。此外，還應設置最長(cháng)恒壓充電時(shí)間。在溫度和電壓檢測失敗的情況下，可以保證鋰電池安全充電。當撤離充電器，CN3066關(guān)閉，隨身電源處于預放電狀態(tài)。

　　多功能擴展電路

　　高亮照明功能

　　戶(hù)外活動(dòng)時(shí)，特別是夜間活動(dòng)，極需一個(gè)高亮的光源。在USB接口輸出的5V電壓使高亮度LED工作，獲得5米內的照明光程。

　　當按下預報警功能健時(shí)，USB輸出電壓加載在報警電路上，水銀開(kāi)關(guān)偏移正常的斷開(kāi)位置，接通KD9561音樂(lè )片，發(fā)出報警響聲。

　　野外驅蚊功能

　　由555運放芯片產(chǎn)生振蕩頻率22KHz，再由555芯片單穩態(tài)電路產(chǎn)生脈沖50Hz，合成占空比為50%的振蕩輸出。

　　電路測試

　　鋰芯充放電曲線(xiàn)，如圖6和圖7所示。

圖6 鋰芯充電曲線(xiàn)

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圖7 鋰芯放電曲線(xiàn)

　　DC-DC放電曲線(xiàn)如圖8所示，隨身電源連續放電的總能量在2200mAh以上，輸出穩定。實(shí)驗結果證明，多功能隨身電源能對市面上大多數手機連續充電5次以上，對MP3、MP4充電12次以上，使隨身電源在戶(hù)外活動(dòng)中能夠有充足的能量?jì)洹?/P>

圖8a 接6.5歐姆電阻的DC-DC放電曲線(xiàn)

圖8b 接10歐姆電阻的DC-DC放電曲線(xiàn)

　　結語(yǔ)

　　本系統方案的設計將多功能、低功耗、高精度、安全性、高容量、高效率、體積小、重量輕等諸多特點(diǎn)整合在一起，使整個(gè)產(chǎn)品的設計貼合了市場(chǎng)實(shí)際使用要求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

　　參考文獻：

　　1. Maxim. Max1771 Data Sheet, www.datasheets.maxim-ic.com

　　2. Renesas. HAT2027 Data Sheet, www.documentation.renesas.com

　　3. ShangHai consonance Electronic Co. CN3066 Data Sheet, www.consonance-elec.com