中心議題：
- 多功能隨身電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 多功能隨身電源的電路實(shí)現(xiàn)
- 多功能隨身電源的充電管理電路
解決方案：
- 鋰芯容量指示電路
- 電芯保護(hù)電路
- 充電管理電路
- DC-DC升壓電路和功能擴(kuò)展電路
現(xiàn)在，市場(chǎng)上可移動(dòng)的電子設(shè)備越來越多，設(shè)備的電源容量和功耗卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的要求，對(duì)日常生活，特別是戶外活動(dòng)造成諸多不便。為此，本文設(shè)計(jì)了一種多功能、高效、低功耗、安全的隨身電源，以滿足戶外需求，將有很大的實(shí)用價(jià)值。
多功能隨身電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文論述的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)由五部分組成：鋰芯容量指示電路、電芯保護(hù)電路、充電管理電路、DC-DC升壓電路和功能擴(kuò)展電路。鋰芯容量指示電路由XC61CC系列的電壓監(jiān)控芯片組成。電芯保護(hù)電路由過充保護(hù)、過放保護(hù)、過溫保護(hù)三部分組成，HAT2027、R5402、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲構(gòu)建了三重保護(hù)，使鋰芯安全性大大增強(qiáng)。充電管理電路采用了CN3066，將充電過程分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和維護(hù)充電四個(gè)部分，使移動(dòng)隨身電源能夠最大程度地儲(chǔ)備能量。DC-DC升壓電路采用了MAX1771集成芯片，可將鋰芯容量在安全范圍內(nèi)最大限度釋放，達(dá)到對(duì)多種數(shù)碼設(shè)備供電的目的。功能擴(kuò)展涵蓋了戶外活動(dòng)所涉及的常見需求，具有應(yīng)急夜間高亮照、戶外防盜安全警報(bào)、野營驅(qū)蚊等功能。
多功能隨身電源的電路實(shí)現(xiàn)
鋰芯保護(hù)電路
如圖1所示，電芯保護(hù)電路主要由R5402和HAT2027共同組成。除此之外，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲起到了最后一層保護(hù)的作用。
R5402是一種高精度、基于CMOS的鋰芯電池電壓保護(hù)芯片。HAT2027是具有電流流通方向可調(diào)的雙MOS產(chǎn)品。
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充電時(shí)，電池電壓從低到高上升，當(dāng)電池電壓大于4.25V時(shí)，充電狀態(tài)被鎖存，引腳COUT就會(huì)從高電平跳為低電平，HAT2027內(nèi)置二極管發(fā)揮單向?qū)ㄗ饔?。電流方向只能?腳到3腳，充電電源無法繼續(xù)給鋰芯充電。如果充電電源繼續(xù)加載在鋰芯電池組兩端，即使鋰芯電壓在4.25V以下，R5402具有的過充鎖存狀態(tài)也不會(huì)被釋放。這樣就保證了電池組在連續(xù)充電飽和之后，能鎖存在過充狀態(tài)，隔離充電電源對(duì)高能量電池組持續(xù)充電。只有當(dāng)過充時(shí)，斷開充電電源，過充鎖存狀態(tài)才會(huì)被釋放，COUT重新變?yōu)楦唠娖?，HAT2027的1、3引腳此時(shí)雙向?qū)?，鋰芯才能正常工作?br />
放電時(shí)，電池電壓下降，當(dāng)小于2.3V時(shí)，放電狀態(tài)被鎖存，引腳DOUT的輸出從高電平跳為低電平，HAT2027內(nèi)置二極管發(fā)揮單向?qū)ㄗ饔谩ｋ娏鞣较蛑荒軓?腳到1腳，鋰芯電池組無法繼續(xù)給負(fù)載放電。如果沒有接上充電電源，即使鋰芯電壓高于過放電壓的最大值，放電鎖存狀態(tài)也不會(huì)被釋放，這就保證了電池組在經(jīng)過長時(shí)間放電，電壓下降到2.3V之后，能鎖存在過放狀態(tài)，隔離低能量電池組持續(xù)放電。只有當(dāng)過放時(shí)，接上充電電源，鋰芯電壓開始高于過放電壓時(shí)，過放鎖存狀態(tài)才會(huì)被釋放，同時(shí)引腳DOUT的電壓重新變?yōu)楦唠娖?，HAT2027的1、3引腳雙向?qū)?，鋰芯既能工作在放電狀態(tài)，又能工作在充電狀態(tài)。
當(dāng)鋰芯短路時(shí)，D。，跳到低電平。此時(shí)，鋰芯受HAT2027控制無法放電，起到鋰芯保護(hù)作用。與此同時(shí)，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲由于短路的大電流，會(huì)受熱膨脹，電路切斷，起到最后一層保護(hù)的作用。當(dāng)短路故障排除，白恢復(fù)保險(xiǎn)絲恢復(fù)，R5402檢電器釋放，D。，，重新恢復(fù)高電平。
該電路還增設(shè)了"休眠"的功能。當(dāng)電路工作在過放狀態(tài)，補(bǔ)充電流將會(huì)保持非常低的值，從而停止內(nèi)部電路的工作，使低能量的鋰芯不會(huì)被R5402和系統(tǒng)后級(jí)回路繼續(xù)消耗能量。該電路還具有瞬時(shí)監(jiān)控功能。在鋰芯負(fù)極取一個(gè)電壓接到R5402的V引腳，內(nèi)置檢電器的延時(shí)可以減少大概1／57秒。因此，可以監(jiān)測(cè)電池容量瞬時(shí)狀態(tài)。
DC-DC升壓電路
本系統(tǒng)中，DC-DC升壓電路主要由MAX1771構(gòu)成，該控制器采用獨(dú)特的控制方案，結(jié)合PFM(脈沖頻率調(diào)制)及PWM(脈沖寬度調(diào)制)的優(yōu)越性，提供一個(gè)高效、較寬電壓調(diào)節(jié)范圍的電源。前者具有較小的靜態(tài)電流，負(fù)載小的情況下效率較高，但紋波較大。后者在負(fù)載大的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(jìn)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(tǒng)PFM的低靜態(tài)電流，同時(shí)在較大負(fù)載的情況下，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尺寸。
如圖2所示，將4腳接地，可使其工作在閉環(huán)狀態(tài)。芯片由引腳2上的電壓供電，同時(shí)也是輸出電壓。輸入電壓可以進(jìn)行從2V到輸出電壓的變化。外接MOS管柵極1腳上的電壓，從輸出電平到零電平跳變，這樣可以提供更人的柵極驅(qū)動(dòng)，從而減小外接MOS管的開啟電阻。
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MAX1771外接MOS管平時(shí)是關(guān)閉的，此時(shí)電感儲(chǔ)能。關(guān)閉期間，MAX1771會(huì)檢測(cè)外部輸入電壓，一旦降低到了一定限度，MAX1771就會(huì)開啟外部MOS管，電感釋放能量，重新提供驅(qū)動(dòng)電壓。開關(guān)頻率隨負(fù)載電流和輸入電壓而定。5V電壓通過兩個(gè)反饋電阻分壓得到。
此外，續(xù)流二極管選用肖特基二極管SS34，該器件正向?qū)妷盒?，響?yīng)時(shí)間短。
鋰芯容量指示電路
本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)采用了一種比較簡(jiǎn)單且實(shí)用的方法，即通過測(cè)試鋰芯電池放電的時(shí)間電壓特性曲線，選取整個(gè)放電過程的四個(gè)位點(diǎn)電壓，用電壓來估算電池的容量。
如圖3所示，當(dāng)按下電壓容量指示的功能按鍵，鋰芯的電池電壓會(huì)加到XC61系列芯片的VIN與VSS引腳上。當(dāng)電壓高丁4.1V，四個(gè)芯片同時(shí)工作，電池與限流電阻、LED發(fā)光管形成四個(gè)回路。此時(shí)四個(gè)發(fā)光管同時(shí)發(fā)亮，表示電池容量飽和。當(dāng)電池電壓在4.1V～3.8V之間，只有三個(gè)芯片工作，4102不工作，此時(shí)形成三個(gè)回路，三個(gè)發(fā)光管發(fā)亮，表示電池容量有所下降。同理可知其它的兩種情況。
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充電管理電路
充電管理電路由CN3066和繼電器構(gòu)成，如圖4所示。當(dāng)隨身電源監(jiān)測(cè)到有充電器對(duì)其充電時(shí)，繼電器令CN3066開始工作，CN3066將整個(gè)充電管理過程分為四個(gè)部分，即預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電以及維護(hù)充電。
當(dāng)CN3066開始工作時(shí)，CN3066會(huì)檢測(cè)電池電壓是否較低，如果是，則采用涓流充電，即一個(gè)比較小的恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，直至電池電壓上升到一個(gè)安全值。之后，充電電流保持較大值不變，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(duì)鋰芯的損壞。在恒流充電和涓流充電狀態(tài)下，充電管理芯片連續(xù)監(jiān)控電池的電壓，當(dāng)單節(jié)鋰電池的電壓達(dá)到4.2V，恒流充電狀態(tài)結(jié)束，轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)。在該狀態(tài)下，充電電壓恒定在4.2V。當(dāng)鋰芯的電流下降為原來的1／10之后，恒壓充電狀態(tài)結(jié)束。在維護(hù)充電狀態(tài)，電池充足電后，若移動(dòng)電源仍插在充電器上，電池會(huì)由于自放電而損失電量。CN3066以非常小的電流對(duì)鋰芯充電或監(jiān)測(cè)電池電位，以備對(duì)鋰芯再充電，這種狀態(tài)稱為維護(hù)充電狀態(tài)。
在本電路中，CN3066會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰芯的電壓、溫度、充電電流和充電時(shí)間。一旦電池的溫度達(dá)到60℃，或鋰離子電池的電壓達(dá)到4.2V，恒壓充電狀態(tài)自動(dòng)終止。此外，還應(yīng)設(shè)置最長恒壓充電時(shí)間。在溫度和電壓檢測(cè)失敗的情況下，可以保證鋰電池安全充電。
當(dāng)拔掉充電器，CN3066關(guān)閉，隨身電源處于預(yù)放電狀態(tài)。
多功能擴(kuò)展電路
高亮照明功能
戶外活動(dòng)時(shí)，特別是夜間活動(dòng)，需要一個(gè)高亮的光源。如圖5所示，夜行高亮照明系統(tǒng)，在USB輸出口可得到5V電壓，加上高亮發(fā)光二極管和一個(gè)小的限流電阻共同組成。高亮管足夠5米內(nèi)的照明光程。
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戶外報(bào)警功能
戶外出行，個(gè)人財(cái)物的防盜至關(guān)重要。安全可靠的報(bào)警系統(tǒng)有助于保障個(gè)人財(cái)物的安全，特別是戶外野營，靈敏的防盜措施在夜間將發(fā)揮其巨大功效。
如圖5所示，當(dāng)按下預(yù)報(bào)警功能鍵時(shí)，USB輸出電壓加載在報(bào)警系統(tǒng)上，此時(shí)移動(dòng)隨身電源處于"預(yù)報(bào)警"狀態(tài)。當(dāng)水銀開關(guān)B1位置偏移正常的斷開位置，將觸發(fā)繼電器工作，使KD9561音樂片工作，發(fā)出報(bào)警響聲，提醒注意安全。
野外驅(qū)蚊功能
如圖6所示，由左邊555合成的振蕩頻率約為22KHz，再由右邊555單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個(gè)50Hz，占空比為50％的方波輸入左邊555的5腳，合成一種噪聲，用于驅(qū)趕蚊于。
電路測(cè)試
DC-DC電路測(cè)試
由圖7可見，移動(dòng)電源連續(xù)放電的總能量在2200mAh以上，輸出穩(wěn)定。
擴(kuò)展功能模塊的測(cè)試
夜行高亮燈管的有效光程為6米。報(bào)警系統(tǒng)能夠正常工作。驅(qū)蚊系統(tǒng)發(fā)出21KHz的噪聲，對(duì)蚊子具有明顯的驅(qū)趕作用。
總體測(cè)試
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，多功能隨身電源能對(duì)市面上大多數(shù)手機(jī)連續(xù)充電5次以上，對(duì)MP3、MP4充電12次以上，表明隨身電源在戶外活動(dòng)中有充足的能量?jī)?chǔ)備。
本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)將多功能、低功耗、安全性、高容量、重量輕等諸多特點(diǎn)整合在一起，使整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)符合實(shí)際使用要求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
該方案科學(xué)縝密地排除了鋰芯在使用過程中出現(xiàn)的各種安全隱患，與此同時(shí)，還巧妙地設(shè)計(jì)了幾個(gè)人性化的功能模塊，滿足了戶外活動(dòng)的常見需求。
