基于dc-dc轉(zhuǎn)換移動(dòng)電源的研究與設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-15 15:34 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 見(jiàn)的干電池。 升壓系統(tǒng)升壓主流技術(shù)基本采用DCDC 的升壓方式。國(guó)內(nèi)技術(shù)轉(zhuǎn)換效率普遍低，一般在5070%，臺(tái)灣的在7580%，美國(guó)的相對(duì)會(huì)高些8695％。也有降壓方案的，效率比較高，但對(duì)電芯的一致性要求高，所以目前幾乎不輕易采用。只有在帶有9V12V輸出移動(dòng)電源上，但對(duì)技術(shù)要求很高。 充電管理系統(tǒng) 移動(dòng)電源電池?zé)o電時(shí)也需要充電，為了體現(xiàn)移動(dòng)電源的通用性充電一般設(shè)定為5V目前國(guó)內(nèi)充電管理系統(tǒng)比較成熟，都會(huì)由智能IC監(jiān)控整個(gè)充電過(guò)程。充電管理IC充電管理失效，會(huì)造成移動(dòng)電源電池永久損壞，或燃燒甚至爆炸。目前低廉的移動(dòng)電源多辦未使用智能充電保護(hù)IC[7]。 移動(dòng)電源的基本構(gòu)成移動(dòng)電源采用聚合物電池作為中心元件，首先給聚合物電池充電，因?yàn)殡姵爻杀颈容^高，而且為了提高系統(tǒng)的安全性要有一個(gè)充電管理系統(tǒng)。當(dāng)需要給便攜式設(shè)備充電時(shí)，聚合物電池放電，因?yàn)楸銛y式設(shè)備普遍輸入電壓為5V，所以有一個(gè)升壓系統(tǒng)[8]。移動(dòng)電源的基本構(gòu)成如圖所示：圖1 移動(dòng)電源基本構(gòu)成3 移動(dòng)開(kāi)關(guān)電源硬件設(shè)計(jì)方案 移動(dòng)電源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)本文論述的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)由四部分組成：充電管理電路、鋰芯容量指示電路、DCDC升壓電路和鋰芯保護(hù)電路。如圖2：容量指示電路移動(dòng)開(kāi)關(guān)電源充電管理電路DCDC升壓電路鋰電池保護(hù)電路圖2 硬件設(shè)計(jì)方案 由目前大眾的消費(fèi)觀和需求，一個(gè)可以提高儲(chǔ)能效率的可移動(dòng)充電電源成為一種值得去研究和設(shè)計(jì)的課題，在戶外的旅行和其他不能找到市電插孔的情況下它可以說(shuō)是功不可沒(méi)的，本設(shè)計(jì)思路主要是能將市面上普遍的、成本低、效能高的聚合物電芯作為一種載體將能量進(jìn)行儲(chǔ)能隨身攜帶以方便便攜式設(shè)備的供電。 硬件設(shè)計(jì)框圖硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示：電流控制電路DC/DC轉(zhuǎn)換器單片機(jī)控制過(guò)充過(guò)放保護(hù)電壓采樣聚合物電池適配器輸入U(xiǎn)SB輸入電量顯示電路5V輸出電壓放大比較圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖該設(shè)計(jì)首先是將聚合物電芯進(jìn)行儲(chǔ)能，此設(shè)計(jì)可以用大家常用的手機(jī)充電適配器進(jìn)行5V電壓充電，這時(shí)候就需要設(shè)計(jì)一個(gè)充電電路，充電過(guò)程中會(huì)有電池容量指示燈顯示以提示用戶聚合物電芯是否充滿電，下面就是DC/DC轉(zhuǎn)換，將儲(chǔ)能電池的“粗電”轉(zhuǎn)化為“細(xì)電”以提高手機(jī)電池使用壽命和充電效率。在使用的過(guò)程中大家只需要用USB線連接移動(dòng)開(kāi)關(guān)電源的輸出端，另一端連接5V充電電壓的用電設(shè)備撥動(dòng)輸出開(kāi)關(guān)就可以進(jìn)行便攜式設(shè)備的充電了，充電過(guò)程主要有四種基本充電模式：涓流充電、恒流充電、恒壓充電和充電完成與再充電。這樣主要是為了能有效保護(hù)便攜式設(shè)備的電池和使其達(dá)到最大儲(chǔ)能。同時(shí)在電路中加有電量顯示LED燈，用戶可以在使用過(guò)程中隨時(shí)檢查電量。在電流充電過(guò)程中肯定要有過(guò)流過(guò)載和短路保護(hù)。 鋰電池充電電路當(dāng)充電器需要直流適配器與USB充電兩者都能用時(shí)，我采用圖4所示的方案：圖4 聚合物電池充電電路方案中，假如使用USB口進(jìn)行供電的話，MOSP門極接地，USB電源通過(guò)MOSP導(dǎo)通至VCC，同時(shí)MOSN處于關(guān)斷狀態(tài)。而當(dāng)采用5V直流適配器的時(shí)候，適配器電流通過(guò)肖特基二極管加至VCC腳，MOSP由于門極為高電平而被截止，不會(huì)對(duì)USB口產(chǎn)生影響。同時(shí)MOSN由于門極為高電平而導(dǎo)通，此時(shí)PROG腳上的編程電阻1K，即設(shè)定充電電流為1A，來(lái)對(duì)一鋰離子電池進(jìn)行快速充電。AP5056是可以對(duì)單節(jié)鋰離子或鋰聚合物可充電電池進(jìn)行恒流/恒壓充電的充電器電路。器件內(nèi)部采用PMOSFET架構(gòu)，應(yīng)用時(shí)不需要外部另加阻流一極管。熱反饋電路可以自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流，使器件在功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的情況下將芯片溫度控制在安全范圍內(nèi)。AP5056只需要極少的外圍元器件，可以適應(yīng)USB電源和適配器電源工作，非常適用于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。充電輸出電壓為4. 2V，充電電流的大小可以通過(guò)一個(gè)外部電阻設(shè)置。在恒壓充電階段中，當(dāng)充電電流降至設(shè)定值1/10時(shí)，AP5056將終止充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓(交流適配器或者USB電源)掉電時(shí)，AP5056自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)電池的電流消耗小于2uA其它功能包括輸入電壓過(guò)低鎖存、芯片使能輸入、自動(dòng)再充電、電池溫度監(jiān)控以及狀態(tài)指示等功能。 AP5056電路工作過(guò)程AP5056[9]在整個(gè)電池充電過(guò)程中有四種基木充電模式:涓流充電、恒流充電、恒壓充電和充電完成與再充電。涓流充電:充電開(kāi)始前，AP5056先檢查輸入電源，當(dāng)輸入電源大于最小工作電壓或欠壓鎖定閾值，并且芯片使能端接高電平時(shí)，AP5056開(kāi)始對(duì)一電池充電。AP5056先檢查電池的狀態(tài)。如果電池電壓高于3V，充電器則進(jìn)入恒流充電。而如果電池電壓低于3V時(shí)，充電器則進(jìn)入涓流充電模式。涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一(還是以恒定充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA),涓流充電狀態(tài)一直保持延續(xù)到AP5056芯片探測(cè)到電池電壓達(dá)到3V后結(jié)束，之后進(jìn)入恒流充電階段。恒流充電:恒流充電模式中，充電電流由PRDO腳與GND間的電阻RPROG確定。AP5056進(jìn)入恒流充電模式中后，將一直按設(shè)定的電流值保持充電，直到電池慢慢到達(dá)電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)4. 2V,轉(zhuǎn)而進(jìn)入恒壓充電。恒壓充電:在電池電壓慢慢接近4. 2V時(shí)，充電器就漸漸轉(zhuǎn)為恒壓充電。此時(shí)原先的恒流充電電流也慢慢減小，并隨著電池容量越來(lái)越接近最大容量而急劇下降。充電完成與再充電:當(dāng)充電電流被探測(cè)到減小至恒流充電電流的10%后，充電器終止向電池充電，進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，AP5056會(huì)繼續(xù)檢測(cè)電池端的電壓，如果電池電壓降到4. 05V以下，則充電器將再次向電池充電?？删幊痰某潆婋娏?AP5056的充電電流由連接在PRDO腳與GND之間RPROG電阻來(lái)確定，計(jì)算公式如下:1BAT=(VPROG/ RPROG)1000 31因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的需要得到一個(gè)1A的充電電流，根據(jù)公式得到1A=(1/ RPROG) 1000, 解方程式得VPROG=1000Ω，即VPROG=1 KΩ。下圖顯示了RPROG為1K和2K時(shí)，不同的電源輸入Vcc與充電電流Ibat之間的關(guān)系，可以看到充電輸出電流基本沒(méi)有很大變化，只與RPROG的設(shè)定值有關(guān)系。圖5 Vcc與充電電流Ibat之間的關(guān)系 芯片熱保護(hù)功能利用晶體管PN結(jié)的導(dǎo)通電壓隨溫度升高而降低，而其變化值隨溫度的升高而增加的特性，AP5056設(shè)計(jì)了集成于芯片內(nèi)部的過(guò)熱保護(hù)功能。當(dāng)內(nèi)部溫度傳感器升至約125℃以上時(shí)，內(nèi)部的熱保護(hù)電路將自動(dòng)減小充電電流的電流值，隨著溫度的不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到145℃的時(shí)候，則可完全關(guān)閉充電電流。該功能可以讓用戶放心使用最大功率的充電電流而無(wú)需擔(dān)心芯片被損壞。 DCDC升壓電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中是采用脈沖幅度變調(diào)方式(PWM)的 DCDC 轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗哂械拖?
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