基于dc-dc轉(zhuǎn)換移動電源的研究與設(shè)計(編輯修改稿)
2024-07-15 15:34 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 見的干電池。 升壓系統(tǒng)升壓主流技術(shù)基本采用DCDC 的升壓方式。國內(nèi)技術(shù)轉(zhuǎn)換效率普遍低，一般在5070%，臺灣的在7580%，美國的相對會高些8695％。也有降壓方案的，效率比較高，但對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輸出移動電源上，但對技術(shù)要求很高。 充電管理系統(tǒng) 移動電源電池?zé)o電時也需要充電，為了體現(xiàn)移動電源的通用性充電一般設(shè)定為5V目前國內(nèi)充電管理系統(tǒng)比較成熟，都會由智能IC監(jiān)控整個充電過程。充電管理IC充電管理失效，會造成移動電源電池永久損壞，或燃燒甚至爆炸。目前低廉的移動電源多辦未使用智能充電保護IC[7]。 移動電源的基本構(gòu)成移動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，因為電池成本比較高，而且為了提高系統(tǒng)的安全性要有一個充電管理系統(tǒng)。當(dāng)需要給便攜式設(shè)備充電時，聚合物電池放電，因為便攜式設(shè)備普遍輸入電壓為5V，所以有一個升壓系統(tǒng)[8]。移動電源的基本構(gòu)成如圖所示：圖1 移動電源基本構(gòu)成3 移動開關(guān)電源硬件設(shè)計方案 移動電源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)本文論述的電路系統(tǒng)設(shè)計由四部分組成：充電管理電路、鋰芯容量指示電路、DCDC升壓電路和鋰芯保護電路。如圖2：容量指示電路移動開關(guān)電源充電管理電路DCDC升壓電路鋰電池保護電路圖2 硬件設(shè)計方案 由目前大眾的消費觀和需求，一個可以提高儲能效率的可移動充電電源成為一種值得去研究和設(shè)計的課題，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是功不可沒的，本設(shè)計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行儲能隨身攜帶以方便便攜式設(shè)備的供電。 硬件設(shè)計框圖硬件設(shè)計框圖如圖3所示：電流控制電路DC/DC轉(zhuǎn)換器單片機控制過充過放保護電壓采樣聚合物電池適配器輸入USB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)計框圖該設(shè)計首先是將聚合物電芯進行儲能，此設(shè)計可以用大家常用的手機充電適配器進行5V電壓充電，這時候就需要設(shè)計一個充電電路，充電過程中會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，將儲能電池的“粗電”轉(zhuǎn)化為“細電”以提高手機電池使用壽命和充電效率。在使用的過程中大家只需要用USB線連接移動開關(guān)電源的輸出端，另一端連接5V充電電壓的用電設(shè)備撥動輸出開關(guān)就可以進行便攜式設(shè)備的充電了，充電過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便攜式設(shè)備的電池和使其達到最大儲能。同時在電路中加有電量顯示LED燈，用戶可以在使用過程中隨時檢查電量。在電流充電過程中肯定要有過流過載和短路保護。 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，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口進行供電的話，MOSP門極接地，USB電源通過MOSP導(dǎo)通至VCC，同時MOSN處于關(guān)斷狀態(tài)。而當(dāng)采用5V直流適配器的時候，適配器電流通過肖特基二極管加至VCC腳，MOSP由于門極為高電平而被截止，不會對USB口產(chǎn)生影響。同時MOSN由于門極為高電平而導(dǎo)通，此時PROG腳上的編程電阻1K，即設(shè)定充電電流為1A，來對一鋰離子電池進行快速充電。AP5056是可以對單節(jié)鋰離子或鋰聚合物可充電電池進行恒流/恒壓充電的充電器電路。器件內(nèi)部采用PMOSFET架構(gòu)，應(yīng)用時不需要外部另加阻流一極管。熱反饋電路可以自動調(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一個外部電阻設(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，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，AP5056自動進入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于2uA其它功能包括輸入電壓過低鎖存、芯片使能輸入、自動再充電、電池溫度監(jiān)控以及狀態(tài)指示等功能。 AP5056電路工作過程AP5056[9]在整個電池充電過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，AP5056開始對一電池充電。AP5056先檢查電池的狀態(tài)。如果電池電壓高于3V，充電器則進入恒流充電。而如果電池電壓低于3V時，充電器則進入涓流充電模式。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芯片探測到電池電壓達到3V后結(jié)束，之后進入恒流充電階段。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，直到電池慢慢到達電壓調(diào)節(jié)點4. 2V,轉(zhuǎn)而進入恒壓充電。恒壓充電:在電池電壓慢慢接近4. 2V時，充電器就漸漸轉(zhuǎn)為恒壓充電。此時原先的恒流充電電流也慢慢減小，并隨著電池容量越來越接近最大容量而急劇下降。充電完成與再充電:當(dāng)充電電流被探測到減小至恒流充電電流的10%后，充電器終止向電池充電，進入低功耗的待機模式。在待機模式下，AP5056會繼續(xù)檢測電池端的電壓，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電阻來確定，計算公式如下:1BAT=(VPROG/ RPROG)1000 31因為本文設(shè)計的需要得到一個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，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)計了集成于芯片內(nèi)部的過熱保護功能。當(dāng)內(nèi)部溫度傳感器升至約125℃以上時，內(nèi)部的熱保護電路將自動減小充電電流的電流值，隨著溫度的不斷升高，當(dāng)溫度達到145℃的時候，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需擔(dān)心芯片被損壞。 DCDC升壓電路設(shè)計 本設(shè)計中是采用脈沖幅度變調(diào)方式(PWM)的 DCDC 轉(zhuǎn)換器，因為它具有低消
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