可供便携式设备充电的移动电源设计

第３７卷第４期　２０１４年８月　电子器件　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｖ０ｌＩ　３７　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１４　Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　ｔｏ　Ｕｓｅ　ｆｏｒ　Ｃｈａｒｇｉｎｇ　Ｐｏｒｔａｂｌｅ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ＨＵ　Ｗｅｉｄａ．ＤＯＮＧ　Ｌｉｎｘｉ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆＲＦ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｄｉａｎｚｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔ　ｏｆ　ｂａｔｔｅｒｙ’Ｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｐｒｏｔａｂｌｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｃａｎ’ｔ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｌｏｎｇ　ｔｉｍｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｃｈａｒｇｉｎｇ．　Ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｇｉｖｅ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｏ　ｏｔｈｅｒ　ｐｒｏｔａｂｌｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｎ　ａｉｒ．Ｂａｓｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｌｉ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｃｈａｒｇｅ　ＩＣ　ｏｆ　ＡＳＣ８５１３　ａｎｄ　ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ＩＣ　ｏｆ　ＭＥ２１０９，ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　２　Ａ，ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｔｗｉｃｅ．Ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｖｅ　ｇｏｏｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｕｍａｎｉｚｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ．Ａｎａｌｙｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｓｅｔｔｉｎｇｓ　ａｎｄ　ｗｏｒｋ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｗｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｗｅｒ；Ｌｉ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｃｈａｒｇｅ；ＤＣ－ＤＣ　ｂｏｏｓｔ；ｏｖｅｒ—ｃｕｒｒｅｎｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ＥＥＡＣＣ：８４１０　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－９４９０．２０１４．０４．０４６　可供便携式设备充电的移动电源设计术　刘伟达，董林玺　（杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，杭州３１００１８）　摘　要：针对便携式设备续航时间短的问题，设计了一款能够在户外供其他移动数码产品充电的移动电源。此款移动电源　基于锂电池充电芯片ＡＳＣ８５１３和升压芯片ＭＥ２１０９，能做到自身的充电电流和输出电流均达到２　Ａ，比普通产品的１　Ａ电流高　出１倍，并具有很好的安全性和人性化设计。着重分析了移动电源系统中各模块的电路设计，参数设置和工作效率等问题，为　设计一款性能优良的移动电源提供了解决方案。　关键词：移动电源；锂电池充电；Ｄｃ—Ｄｃ升压；过流保护　中图分类号：ＴＭ９１Ｏ．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－９４９０（２０１４）０４－０７９５－０４　随着数字技术的飞速发展，使得手机、平板电　脑、照相机等移动数码产品市场出现了迅速增长的　局面。国际数据公司（ＩＤＣ）的跟踪报告显示，仅　等待时间；优化了升压电路，ＵＳＢ口具有输出２　Ａ电　流的能力，输出电压平稳；提高了电路的安全性，增　加了过流、过压、欠压等保护电路；并具有自动识别　负载和关机的功能。　２０１３年第１季度，中国手机出货量就有９　７００万部，　与２０１２年同期相比增长了１５％。其中智能机出货　量为７　８００万部，同比增长１１７％。移动数码产品的　发展趋势主要是追求外观的小型化和功能的多样　化。外观的小型化必然要减少电池的体积，了　电池容量的增加；功能的多样化又会加速电池能量　１　系统工作原理概述　移动电源系统结构框图如图１所示，系统主要　由以下几个模块组成：锂电池充电模块、ＤＣ—ＤＣ升　压模块、电路保护模块和单片机控制模块　』。在户　外用移动电源给数码产品充电的时候，移动电源的　能量来自于自身携带的大容量锂电池组。充电模块　的消耗，大幅度缩短了便携式设备的工作时间　。　文中所述此款移动电源的设计，可以作为便携式设　备的充电电源使用，可对便携式设备进行多次充电，　就负责给锂电池组充电，模块中采用杭州标源微电　子有限公司生产的ＡＳＣ８５１３芯片，最大充电电流可　从而延长便携式设备在户外的续航时间。相对于市　场上的同类产品，此款移动电源增大了自身的充电　电流，缩短了移动电源在给自身充电的时候所需的　以达到２．５　Ａ；升压模块负责将电池的电压由３．７　Ｖ　升压到５　Ｖ，给消费者手中的移动数码产品充电；电　项目来源：２０１３年浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）（２０１３Ｒ４０７０６７）　收稿日期：２０１３—０８—０６　修改日期：２０１３—０８—２５　７９６　电　子　器件　第３７卷　路保护模块负责监测系统的电流、电压等是否正常；　单片机控制模块主要负责各模块中芯片的控制，参　数的计算以及显示系统的使用状态。　……………………………………’　给手机　负载　移动电源Ｉ　Ｉ　Ｊ过流保　状态显示Ｉ　Ｉ护电路　图１　移动电源系统框图　２系统硬件设计　２．１锂电池充电模块　ＡＳＣ８５１３是开关式、同步整流单节锂电池充电　管理芯片　Ｊ。它采用峰值电流模的控制模式和同　步整流的技术，能够极大地提高充电效率，适用于大　电流充电的场合，充电电流可达２　Ａ。ＡＳＣ８５１３集　成了过温保护、短路保护等功能，２个ＬＥＤ灯分别指　示电池充电状态和充饱状态。ＡＳＣ８５１３的电路结构　如图２所示。　图２　ＡＳＣ８５１３电路结构图　２．１．１主要参数设置与原件的选取：　（１）恒流充电电流（，　）设置　通过设置尺　。和Ｒ，　的值可以设定电池恒流充　电电流。　为芯片９脚ＩＳＥＴ与地相连的电阻；　为芯片６脚与电池相连的电阻。为了兼顾电流　检测精度和充电效率，我们选择　：０．１　ｎ。　‰：　等　㈩　眦　是电流检测系数，典型值为１　０００。　是ＩＳＥＴ　管脚的电压，内部设定为１．５　Ｖ。例如要让，　＝　２　Ａ，则由式（１）可得，Ｒ。ｓＥＴ＝５　Ｋ。　（２）电感的选择　电感上的电流纹波可以通过下式计算：　（　）　△，为电感上的电流纹波值　为ＰＷＭ振荡频率，　为ＡＳＣ８５１３的输入电压，　为电池的电压。从减少　噪声上考虑，△，一般取最大充电电流的３０％到５０％。　在大多数的应用场合，电感可以取１０　或２２　Ｈ。　２．１．２芯片充电效率的测试　充电效率通过下式计算：　ＡＴ×，ＨＡＴ　，¨　田　ｊ　Ｊ　叼代表充电效率，，ＢＡＴ＝　。／Ｒ　为输人电池的电流，　，１Ｎ为从芯片输入端流人的电流。　开始测试前，电池的参数为：开路电压３．５４　Ｖ，　容量４　０００　ｍＡｈ。测得数据如表１。　表１　ＡＳＣ８５１３充电效率测试　２．２升压模块　移动电源自身锂电池组的标称电压是３．７　Ｖ，　因此需要用将此电池电压升到５．０　Ｖ才可以给外部　的便携式设备充电。系统中采用ＭＥ２１０９升压芯片　来完成升压模块的功能。ＭＥ２１０９由基准电压源、　振荡电路、误差放大器、相位补偿电路和ＰＷＭ／ＰＦＭ　切换控制电路等构成的ＣＭＯＳ升压ＤＣ—ＤＣ控制　器。通过外接ＮＭＯＳ，能做到输出效率更高、输出电　流更大的效果。升压模块的电路如图３所示。　图３升压模块电路图　通过改变Ｒ　和Ｒ。，的阻值，可以调整ＰＷＭ的　第４期　刘伟达，董林玺：可供便携式设备充电的移动电源设计　７９７　占空比，从而调整输出电压的大小。输出电压满足　下列关系：　，　Ｄ　、　件的选取和ＰＣＢ的布局外，还与输入电压的大小有　关，故规定输入电压在３．７　Ｖ左有时，测得的转化效　ｖ　＝１．２５×ｆ、　１＋　）　１３，　（４）　率如图６所示。南网６可知，当电流小于１．２　Ａ的　时候都具有较高的转化效率，之后随着电流的增大，　转化效率相应的减小。　ｏｏ　ｒ　２个反馈电路应满足：Ｒ　２＋尺。３＜５０　Ｋ。此模块要求升　压到５　Ｖ，所以令Ｒ　＝３０　Ｋ，Ｒ。　＝１０　Ｋ。　输出端电容Ｅ　ｃ’的作用是让输出电压变得平　滑，由于电容自身“等效串联电阻”的存在，会使得电　容两端的电压产生突变。因此在大多数的场合下，我　们应选择等效串联电阻较小的钽电容。实验测得，当　ＥＣ　分别为２２０　Ｆ电解电容和２２０　ｐ，Ｆ钽电容的时　候，升压输出５　Ｖ端口的波形如图４和图５所示。　彗誉８　————、ｏＩ、＼＼　、＼．　簿７ｏ　０　图６升压模块的转化效率　２．３电路保护模块　为了提高移动电源使用的安全性，系统设计了输　出端口的过流保护，如果输出端口电流超过２　Ａ，升压　电路将不再工作　Ｊ，同时单片机检测到过流之后，关　断输出口负端与地的连接，这样移动电源就不会给负　载供电了　】。过流保护的电路图如图７所示。　图４　ＥＣ　为２２０　Ｆ电解电容　图７过流保护电路图　图７主要是一个同相比例放大电路　Ｊ，输出电　压　满足下式关系：　。．　．＝（１＋　）×　ｌ　Ｌ１５　（６）　）ｏＶ　Ｍ　Ｚ．　Ｕ　Ｕｓ　随着负载的电流变大，　增大（　增大（Ｖ　增　大（升压芯片输出下降，例如当　的电压大于１．２５　Ｖ时，ＭＥ２１０９的输出电压就会降低到小于５　Ｖ。系　统中所用的单片机ＨＴ４６Ｒ０６５Ｂ集成了ＡＤ集采的　功能，当读到　的电压过高，就会置ＥＮＩ端为低电　平，这样ＢＱ３就会截止，系统不再给负载供电。　此外，系统中采用ＤＷＯＩ　片，对自身携带的锂　３．Ｊｕ１．１３　２０：３２　图５　ＥＣ２为２２０　Ｉ，ｚＦ钽电容　电解电容的ＥＳＲ大于钽电容，从上图可以看　出，输出端电压突变的情况，网４要大于图５。钽电　容的价格比较高，如果在实际的生产中受到成本的　，可采用容值大的电解电容和容值小的陶瓷电　容并联来使用　Ｊ。　在升压电路中，转化效率　是很重要的指标，　转化效率的计算公式如下：　ｌｌｌ—ｓ×，　ｌＩ＿ｓ　…　电池组进行了短路、过压、欠压的保护，进一步确保　了这款移动电源使用的安全性。　３　系统控制过程及实物图　）　叼　—　一　为了消费者更方便的使用，此款移动电源增加　是输出电压，，…　是输出电流，　是升压芯片　的输入电压，，　Ｉｍ　是输入电流。转化效率除了与元　了自动识别负载和自动关机的功能，并通过４盏　ＬＥＤ指示灯时时显示移动电源自身的电量…　．主　７９８　电　子　器　件　第３７卷　控软件流程　如　８所示　开始　４　结束语　本文介绍了移动电源的主要组成模块，并分析　了各模块的设计要点，提供了一套可实施的电路方　案。此款移动电源的应用能够让便携式设备拥有更　大的续航能力。　参考文献：　［１］陈学元，田晓明，于天困．基于手持导航产品的锂离子电池充　电技术［Ｊ］．现代电子技术，２００７，３０（２３）：１８２—１８３．　初始化　人或开机命令／　霈蒸　＼＝＝＝—　———－’１Ｌ　＿—　Ｙ　开启５　Ｖ升压输　卜＿＿——＿．１显示移动电源电量　Ｎ　检测负载是否　［２］高岩．航天用串联锂离子电池组充电技术的研究［Ｄ］．天津：　南开大学．２００７：７—１２．　Ｎ　‘　［３］　张巧杰，朱涛，赵燕东．基于ＡＶＲ的太阳能智能控制器设计与　试验［Ｊ］．电源技术，２０１２，３６（２）：２０４—２０６．　图８主控软件流程图　［４］　郑朝霞，邹雪城，邵轲，等．电流型ＰＷＭ　ＤＣ—ＤＣ升压转化器的　稳定性分析与实现［Ｊ］．微电子学与计算机，２００６，２３（６）：　２２９－２３２．　最终的实物如图９所示。　［５］杭州标源．ＡＳＣ８５１３一ＤＡＴＡＳＨＥＥＴ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｄｚｊ．　ｃｏｍ／ｓｈｏｐ／ｄｐｗｎ－３５５２５２．ｈｔｍ１．　［６］　周鹏．动力锂电池的充电及保护应用［Ｊ］．电源技术，２０１２，３６　（５）：６４８—６４９．　［７］　尹华，刘锐．ＰＷＭ型ＤＣ／ＤＣ变换器过流／短路保护电路的设　计［Ｊ］．微电子学，２００８，３８（１）：１０９—１１０．　［８］　王永春，周泽坤，刘明亮，等．阂值可编程锂电池组过流保护电　路设计［Ｊ］．微电子学，２０１ｌ，４ｌ（３）：４０８—４１０．　［９］　戈素贞，杜群羊，吴海青，等．模拟电子技术基础与应用实例　［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７：１９２—１９４．　［１Ｏ］曹志鹏，王健．便携式仪表锂电池充电管理和电量检测的实现　图９　移动电源实物图　［Ｊ］．电子器件，２０１０，３３（１）：９８—１００．　刘伟达（１９８８一），男，汉族，浙江临海　人，杭州电子科技大学硕士研究生，主　要研究方向为歼关电源、电子信息集　成技术，ｌｉｕｗｄ７８５１＠１２６．ｔｏｍ：　董林玺（１９７６一）男，汉族，山东寿光人，　博士，教授，杭州电子科技大学硕士生　导师，主要研究方向为超高精度　ＭＥＭＳ传感器技术、ＲＦ—ＭＥＭＳ、ＭＥＭＳ　谐振器、嵌入式控制、锂电池充电技术　等，ｄｏｎｇｌｉｎｘｉ＠ｈｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。　。　叠