戶外移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

戶外移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)、平板電腦、相機(jī)等手機(jī)軟件產(chǎn)品的市場(chǎng)呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。國(guó)際數(shù)據(jù)公司(IDC)的跟蹤報(bào)告顯示,僅2013年第1季度,中國(guó)手機(jī)出貨量就有9700萬(wàn)部,與2012年同期相比增長(zhǎng)了15%。其中智能機(jī)出貨量為7800萬(wàn)部,同比增長(zhǎng)117%。移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)主要是追求外觀的小型化和功能的多樣化。外觀的小型化必然要減少電池的體積,限制了電池容量的增加;功能的多樣化又會(huì)加速電池能量的消耗,大幅度縮短了便攜式設(shè)備的工作時(shí)間。文中所述此款移動(dòng)電源的設(shè)計(jì),可以作為便攜式設(shè)備的充電電源使用,可對(duì)便攜式設(shè)備進(jìn)行多次充電,從而延長(zhǎng)便攜式設(shè)備在戶外的續(xù)航時(shí)間。相對(duì)于市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品,此款移動(dòng)電源增大了自身的充電電流,縮短了移動(dòng)電源在給自身充電的時(shí)候所需的等待時(shí)間;優(yōu)化了升壓電路,USB口具有輸出2A電流的能力,輸出電壓平穩(wěn);提高了電路的安全性,增加了過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等保護(hù)電路;并具有自動(dòng)識(shí)別負(fù)載和關(guān)機(jī)的功能。1電源系統(tǒng)電路保護(hù)模塊移動(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成:鋰電池充電模塊、DC-DC升壓模塊、電路保護(hù)模塊和單片機(jī)控制模塊。在戶外用移動(dòng)電源給數(shù)碼產(chǎn)品充電的時(shí)候,移動(dòng)電源的能量來(lái)自于自身攜帶的大容量鋰電池組。充電模塊就負(fù)責(zé)給鋰電池組充電,模塊中采用杭州標(biāo)源微電子有限公司生產(chǎn)的ASC8513芯片,最大充電電流可以達(dá)到2.5A;升壓模塊負(fù)責(zé)將電池的電壓由3.7V升壓到5V,給消費(fèi)者手中的移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品充電;電路保護(hù)模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電流、電壓等是否正常;單片機(jī)控制模塊主要負(fù)責(zé)各模塊中芯片的控制,參數(shù)的計(jì)算以及顯示系統(tǒng)的使用狀態(tài)。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1雙系統(tǒng)模式控制模式ASC8513是開(kāi)關(guān)式、同步整流單節(jié)鋰電池充電管理芯片。它采用峰值電流模的控制模式和同步整流的技術(shù),能夠極大地提高充電效率,適用于大電流充電的場(chǎng)合,充電電流可達(dá)2A。ASC8513集成了過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)等功能,2個(gè)LED燈分別指示電池充電狀態(tài)和充飽狀態(tài)。ASC8513的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.1.1memscs測(cè)量電效率的選擇通過(guò)設(shè)置RSNS和RISET的值可以設(shè)定電池恒流充電電流。RISET為芯片9腳ISET與地相連的電阻;RSNS為芯片6腳與電池相連的電阻。為了兼顧電流檢測(cè)精度和充電效率,我們選擇RSNS=0.1Ω。KISET是電流檢測(cè)系數(shù),典型值為1000。VISET是ISET管腳的電壓,內(nèi)部設(shè)定為1.5V。例如要讓ICC=2A,則由式(1)可得,RISET=5K。(2)電感的選擇電感上的電流紋波可以通過(guò)下式計(jì)算:ΔI為電感上的電流紋波值,fS為PWM振蕩頻率,VIN為ASC8513的輸入電壓,VBAT為電池的電壓。從減少噪聲上考慮,ΔI一般取最大充電電流的30%到50%。在大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合,電感可以取10μH或22μH。2.1.2電池的充放電參數(shù)充電效率通過(guò)下式計(jì)算:η代表充電效率,IBAT=VSNS/RSNS為輸入電池的電流,IIN為從芯片輸入端流入的電流。開(kāi)始測(cè)試前,電池的參數(shù)為:開(kāi)路電壓3.54V,容量4000mAh。測(cè)得數(shù)據(jù)如表1。2.2輸出電壓調(diào)整電路移動(dòng)電源自身鋰電池組的標(biāo)稱電壓是3.7V,因此需要用將此電池電壓升到5.0V才可以給外部的便攜式設(shè)備充電。系統(tǒng)中采用ME2109升壓芯片來(lái)完成升壓模塊的功能。ME2109由基準(zhǔn)電壓源、振蕩電路、誤差放大器、相位補(bǔ)償電路和PWM/PFM切換控制電路等構(gòu)成的CMOS升壓DC-DC控制器。通過(guò)外接NMOS,能做到輸出效率更高、輸出電流更大的效果。升壓模塊的電路如圖3所示。通過(guò)改變R12和R13的阻值,可以調(diào)整PWM的占空比,從而調(diào)整輸出電壓的大小。輸出電壓滿足下列關(guān)系:2個(gè)反饋電路應(yīng)滿足:R12+R13<50K。此模塊要求升壓到5V,所以令R12=30K,R13=10K。輸出端電容EC2的作用是讓輸出電壓變得平滑,由于電容自身“等效串聯(lián)電阻”的存在,會(huì)使得電容兩端的電壓產(chǎn)生突變。因此在大多數(shù)的場(chǎng)合下,我們應(yīng)選擇等效串聯(lián)電阻較小的鉭電容。實(shí)驗(yàn)測(cè)得,當(dāng)EC2分別為220μF電解電容和220μF鉭電容的時(shí)候,升壓輸出5V端口的波形如圖4和圖5所示。電解電容的ESR大于鉭電容,從上圖可以看出,輸出端電壓突變的情況,圖4要大于圖5。鉭電容的價(jià)格比較高,如果在實(shí)際的生產(chǎn)中受到成本的限制,可采用容值大的電解電容和容值小的陶瓷電容并聯(lián)來(lái)使用。在升壓電路中,轉(zhuǎn)化效率η是很重要的指標(biāo),轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算公式如下:Vout-5是輸出電壓,Iout-5是輸出電流,Vin-me是升壓芯片的輸入電壓,Iin-me是輸入電流。轉(zhuǎn)化效率除了與元件的選取和PCB的布局外,還與輸入電壓的大小有關(guān),故規(guī)定輸入電壓在3.7V左右時(shí),測(cè)得的轉(zhuǎn)化效率如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)電流小于1.2A的時(shí)候都具有較高的轉(zhuǎn)化效率,之后隨著電流的增大,轉(zhuǎn)化效率相應(yīng)的減小。2.3過(guò)流保護(hù)電路為了提高移動(dòng)電源使用的安全性,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了輸出端口的過(guò)流保護(hù),如果輸出端口電流超過(guò)2A,升壓電路將不再工作,同時(shí)單片機(jī)檢測(cè)到過(guò)流之后,關(guān)斷輸出口負(fù)端與地的連接,這樣移動(dòng)電源就不會(huì)給負(fù)載供電了。過(guò)流保護(hù)的電路圖如圖7所示。圖7主要是一個(gè)同相比例放大電路,輸出電壓Vout滿足下式關(guān)系:隨著負(fù)載的電流變大,VIN增大(Vout增大(VFB增大(升壓芯片輸出下降,例如當(dāng)VFB的電壓大于1.25V時(shí),ME2109的輸出電壓就會(huì)降低到小于5V。系統(tǒng)中所用的單片機(jī)HT46R065B集成了AD集采的功能,當(dāng)讀到VIN的電壓過(guò)高,就會(huì)置EN1端為低電平,這樣BQ3就會(huì)截止,系統(tǒng)不再給負(fù)載供電。此外,系統(tǒng)中采用DW01芯片,對(duì)自身攜帶的鋰電池組進(jìn)行了短路、過(guò)壓、欠壓的保護(hù),進(jìn)一步確保了這款移動(dòng)電源使用的安全性。3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為了消費(fèi)者更方便的使用,此款移動(dòng)電源增加了自動(dòng)識(shí)別負(fù)載和自動(dòng)關(guān)機(jī)的功能,并通過(guò)4盞LED指示燈時(shí)時(shí)顯示移動(dòng)電源自