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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，該設備還能適應戶外活動幾種常見的需要。 現在市場上，便攜式電子設備越來越多，但此設備的電池容量和功耗卻遠遠不足市場的要求，對日常生活特別是戶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，以滿足戶外需求，將有很大的實用價值。 鋰離子電池具有體積小、重量輕、比能量高、壽命長、可快速充電等優點。相較于其它類型的電池而言，具有明顯優越的綜合性能。鋰離子電池的高效快速充電將成為一種趨勢。另外，它的特點決定了它要求有性能完備、安全可靠的充電管理電路。隨著人們日常外出活動的頻繁，多功能大容量的移動電源將會成為市場開發的另一個主要的方向。 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。鋰芯保護電路由過充保護、過放保護、過溫保護、過流四重保護組成。充電管理電路采用了上海如韻的CN3066芯片，將充電過程分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和維護充電四個部分，使移動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。功能擴展涵蓋了戶外活動所能涉及的常見需求，具有應急夜間高亮照明、戶外防盜安全警報，野營驅蚊等功能，人性化的功能使產品更具創新特色并開闊了產品將來的應用市場前景。 圖1 系統設計框圖 多功能隨身電源的電路實現 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 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，電池電壓從低往高上升，當電池電壓大于4.25V時，充電狀態被鎖存，管腳COUT就會從高電平跳為低電平，HAT2027內置二極管發揮單向導通作用。電流方向只能從1腳到3腳。充電電源無法繼續給鋰芯充電。只有當過充時，斷開充電電源，過充鎖存狀態才會被釋放，COUT重新變為高電平，HAT2027的1、3管腳此時雙向導通，鋰芯才能正常工作。 放電時，電池電壓從高往低下降，當電池電壓小于2.3V時，放電狀態被鎖存，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。鋰芯電池組無法繼續給負載放電。只有當過放時，接上充電電源，當鋰芯電壓開始高于過放電壓時，過放鎖存狀態就會被釋放，同時管腳DOUT的電壓重新變為高電平，HAT2027的1、3管腳雙向導通，鋰芯既能工作在放電狀態又能工作在充電狀態。 當鋰芯短路時，DOUT跳到低電平。此時，鋰芯受HAT2027控制無法放電，起到鋰芯保護作用。與此同時，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，以及瞬時監控功能。設計時，在鋰芯負極取一個電壓接到R5402的V管腳，內置檢電器的延時可以減少大概1/57秒。因此，可以監測電池容量瞬時狀態。 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)的優越性，提供一個高效、較寬電壓調節范圍的電源。前者具有較小的靜態電流，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，使其不超過某一峰值電流。既保持了傳統PFM的低靜態電流，同時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，可使其工作在閉環狀態。芯片由2管腳上的電壓供電，同時也是輸出電壓。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，從而減小外接MOS管的開啟電阻。 圖3 DC-DC升壓電路設計 MAX1771的外接MOS管平時是關閉的，此時電感儲能。關閉期間MAX1771會檢測外部輸入電壓，一旦降低到了一定限度，MAX1771就會開啟外部MOS管，電感釋放能量，重新提供驅動電壓。開關頻率隨負載電流和輸入電壓而定。5V電壓通過兩個反饋電阻分壓得到。 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，響應時間快。 鋰芯容量指示電路 電池容量應該以電流對時間的積分即毫安時來度量,有專門的芯片能夠勝任，但成本較高。而在本系統電路設計中，采用了一種比較簡單而且實用的方法，即通過測試鋰芯電池放電時的電壓時間特性曲線，選取整個放電過程的四個位點電壓，用電壓來估算電池的容量。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，鋰芯的電池電壓會加到XC61系列芯片的VIN與VSS管腳上。當電壓高于4.1V，四個芯片同時工作，電池與限流電阻、LED形成四個回路。此時四個LED同時發亮，表示電池容量飽和。當電池電壓在4.1V到3.8V之間，只有三個芯片工作，三個LED發亮，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，繼電器令CN3066開始工作，CN3066將整個充電管理過程應該分為四個部分，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程 當CN3066開始工作時，CN3066會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，恒流充電狀態結束，轉入恒壓充電狀態。在該狀態下，充電電壓恒定在4.2V。當鋰芯的電流下降為原來1/10之后，恒壓充電狀態結束。維護充電狀態是在電池充足電后，若移動電源仍插在充電器上，電池會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，這種狀態稱為維護充電狀態。 在本電路中，CN3066會時時監測鋰芯的電壓、溫度、充電電流和充電時間。一旦電池的溫度達到60℃或者鋰離子電池的電壓達到4.2 ，恒壓充電狀態自動終止。此外，還應設置最長恒壓充電時間。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關閉，隨身電源處于預放電狀態。 多功能擴展電路 高亮照明功能 戶外活動時，特別是夜間活動，極需一個高亮的光源。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，USB輸出電壓加載在報警電路上，水銀開關偏移正常的斷開位置，接通KD9561音樂片，發出報警響聲。 野外驅蚊功能 由555運放芯片產生振蕩頻率22KHz，再由555芯片單穩態電路產生脈沖50Hz，合成占空比為50%的振蕩輸出。 電路測試 鋰芯充放電曲線，如圖6和圖7所示。 圖6 鋰芯充電曲線 圖7 鋰芯放電曲線 DC-DC放電曲線如圖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，使隨身電源在戶外活動中能夠有充足的能量儲備。 圖8a 接6.5歐姆電阻的DC-DC放電曲線 圖8b 接10歐姆電阻的DC-DC放電曲線 結語 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、重量輕等諸多特點整合在一起，使整個產品的設計貼合了市場實際使用要求，具有廣闊的市場前景。 |
