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多功能随身电源系统方案

摘要: 本文设计了一种高效、低功耗的多功能随身电源。该设备作为电源储备,为手机、mp3、mp4等电子设备提供多次、充足的电能。此外,该设备还能适应户外活动几种常见的需要。

关键词: 随身电源;移动设备;锂离子电池

引言

现在市场上,便携式电子设备越来越多,但此设备的电池容量和功耗却远远不足市场的要求,对日常生活特别是户外生活造成诸多不便。为此,制作多功能、高效、低耗、安全的随身电源,以满足户外需求,将有很大的实用价值。

锂离子电池具有体积小、重量轻、比能量高、寿命长、可快速充电等优点。相较于其它类型的电池而言,具有明显优越的综合性能。锂离子电池的高效快速充电将成为一种趋势。另外,它的特点决定了它要求有性能完备、安全可靠的充电管理电路。随着人们日常外出活动的频繁,多功能大容量的移动电源将会成为市场开发的另一个主要的方向。

根据以上的趋势,本文设计了一种高效、低功耗、高容量、安全可靠、可行性高的随身电源电路的设计。

多功能随身电源的系统设计

如图1所示,本文论述的电路系统设计由五部分组成:锂芯容量指示电路、锂芯保护电路、充电管理电路、DC-DC升压电路和功能扩展电路。锂芯容量指示电路由日本理光公司XC61CC系列的电压监控芯片组成。锂芯保护电路由过充保护、过放保护、过温保护、过流四重保护组成。充电管理电路采用了上海如韵的CN3066芯片,将充电过程分为涓流充电、恒流充电、恒压充电和维护充电四个部分,使移动随身电源能够最大程度地储备能量。DC-DC升压电路采用了美信公司的MAX1771集成芯片,可将锂芯容量在安全范围内最大限度释放,达到对多种数码设备供电输出的目的。功能扩展涵盖了户外活动所能涉及的常见需求,具有应急夜间高亮照明、户外防盗安全警报,野营驱蚊等功能,人性化的功能使产品更具创新特色并开阔了产品将来的应用市场前景。

 

 

 

图1 系统设计框图

多功能随身电源的电路实现

锂芯保护电路

如图2所示,锂芯保护电路主要由理光公司R5402芯片和日立公司HAT2027 MOS场效应集体管共同组成。除此之外,自恢复保险丝起到了最后一层保护的作用。

 

 

 

图2 锂芯保护电路

R5402是一种高精度锂芯电池电压保护用的CMOS芯片。HAT2027是电流流通方向可调的双MOS器件。

充电时,电池电压从低往高上升,当电池电压大于4.25V时,充电状态被锁存,管脚COUT就会从高电平跳为低电平,HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从1脚到3脚。充电电源无法继续给锂芯充电。只有当过充时,断开充电电源,过充锁存状态才会被释放,COUT重新变为高电平,HAT2027的1、3管脚此时双向导通,锂芯才能正常工作。

放电时,电池电压从高往低下降,当电池电压小于2.3V时,放电状态被锁存,管脚DOUT的输出从高电平跳为低电平,HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从3脚到1脚。锂芯电池组无法继续给负载放电。只有当过放时,接上充电电源,当锂芯电压开始高于过放电压时,过放锁存状态就会被释放,同时管脚DOUT的电压重新变为高电平,HAT2027的1、3管脚双向导通,锂芯既能工作在放电状态又能工作在充电状态。

当锂芯短路时,DOUT跳到低电平。此时,锂芯受HAT2027控制无法放电,起到锂芯保护作用。与此同时,短路的大电流使自恢复保险丝受热膨胀,电路切断,起到最后一层保护作用。当短路故障排除,自恢复保险丝恢复,R5402检电器释放,DOUT重新恢复高电平。

该电路还增设了“休眠”的功能,以及瞬时监控功能。设计时,在锂芯负极取一个电压接到R5402的V管脚,内置检电器的延时可以减少大概1/57秒。因此,可以监测电池容量瞬时状态。

DC-DC升压电路

本系统中,DC-DC升压电路主要由MAX1771构成,该控制器采用独特的控制方案,结合PFM(脉冲频率调制)及PWM(脉冲宽度调制)的优越性,提供一个高效、较宽电压调节范围的电源。前者具有较小的静态电流,轻载情况下效率较高,但纹波较大。后者在重载情况下具有较高的效率,噪声小。该控制器采用的是一种改进型的限流PFM控制方式,控制电路限制电感充电电流,使其不超过某一峰值电流。既保持了传统PFM的低静态电流,同时在较重负载下也具有很高的效率,而且由于限制了峰值电流,采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波,这样便于降低电路成本及电路的尺寸。

如图3所示,将4管脚SHDN接地,可使其工作在闭环状态。芯片由2管脚上的电压供电,同时也是输出电压。输入电压可以从2V到输出电压变化。外接MOS管栅极的1管脚上的电压从输出电压到零电平跳变,这样可以提供更大的栅极驱动,从而减小外接MOS管的开启电阻。

 

 

 

图3 DC-DC升压电路设计

MAX1771的外接MOS管平时是关闭的,此时电感储能。关闭期间MAX1771会检测外部输入电压,一旦降低到了一定限度,MAX1771就会开启外部MOS管,电感释放能量,重新提供驱动电压。开关频率随负载电流和输入电压而定。5V电压通过两个反馈电阻分压得到。

此外,整流二极管选用肖特基二极管SS34,该器件正向导通电压小,响应时间快。

锂芯容量指示电路

电池容量应该以电流对时间的积分即毫安时来度量,有专门的芯片能够胜任,但成本较高。而在本系统电路设计中,采用了一种比较简单而且实用的方法,即通过测试锂芯电池放电时的电压时间特性曲线,选取整个放电过程的四个位点电压,用电压来估算电池的容量。电压指示电路选用了日本特瑞仕公司的XC61系列芯片。

如图4所示,当按下电压容量指示的功能按键,锂芯的电池电压会加到XC61系列芯片的VIN与VSS管脚上。当电压高于4.1V,四个芯片同时工作,电池与限流电阻、LED形成四个回路。此时四个LED同时发亮,表示电池容量饱和。当电池电压在4.1V到3.8V之间,只有三个芯片工作,三个LED发亮,表示电池容量有所下降。同理可知其它的两种情况。

 

 

 

图4 锂芯容量指示电路

充电管理电路

充电管理电路由CN3066和继电器构成,如图5所示,当随身电源监测到有充电器对其充电时,继电器令CN3066开始工作,CN3066将整个充电管理过程应该分为四个部分,即预充电、恒流充电、恒压充电以及维护充电。

 

 

 

图5 充电管理电路及其充电过程

当CN3066开始工作时,CN3066会检测电池电压是否较低,如果是则采用涓流充电,直至电池电压上升到一个安全值。之后,充电电流保持不变的较大值,通常是涓流充电电流的10倍或更大。1000mAh的电池采用700mA电流充电。这可以避免大电流充电对锂芯的损坏。充电管理芯片连续监控电池的电压,当单节锂电池的电压达到4.2V,恒流充电状态结束,转入恒压充电状态。在该状态下,充电电压恒定在4.2V。当锂芯的电流下降为原来1/10之后,恒压充电状态结束。维护充电状态是在电池充足电后,若移动电源仍插在充电器上,电池会由于自放电而损失电量。CN3066以非常小的电流对锂芯充电或是监测电池电位以备对锂芯再充电,这种状态称为维护充电状态。

在本电路中,CN3066会时时监测锂芯的电压、温度、充电电流和充电时间。一旦电池的温度达到60℃或者锂离子电池的电压达到4.2 ,恒压充电状态自动终止。此外,还应设置最长恒压充电时间。在温度和电压检测失败的情况下,可以保证锂电池安全充电。当撤离充电器,CN3066关闭,随身电源处于预放电状态。

多功能扩展电路

高亮照明功能

户外活动时,特别是夜间活动,极需一个高亮的光源。在USB接口输出的5V电压使高亮度LED工作,获得5米内的照明光程。

当按下预报警功能健时,USB输出电压加载在报警电路上,水银开关偏移正常的断开位置,接通KD9561音乐片,发出报警响声。

野外驱蚊功能

由555运放芯片产生振荡频率22KHz,再由555芯片单稳态电路产生脉冲50Hz,合成占空比为50%的振荡输出。

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