自制充電寶最簡電路方案設(shè)計(jì)（一）

隨著便攜式產(chǎn)品不斷成長，移動(dòng)電源的需求也持續(xù)增加，輕薄小巧、快速充電、轉(zhuǎn)換效率高及高安全性等也成為消費(fèi)者購買移動(dòng)電源時(shí)的首要考慮，為了滿足消費(fèi)者的需求，許多公司都推出移動(dòng)電源解決方案，在此我們以沛亨半導(dǎo)體所開發(fā)的AIC6511及AIC3420作為設(shè)計(jì)范例，提供給讀者參考。

一個(gè)完整的移動(dòng)電源電路包含了電池充電管理IC、升壓轉(zhuǎn)換器IC及MCU，每個(gè)部分都會(huì)影響移動(dòng)電源的整體效能，所以選用適當(dāng)?shù)腎C是非常重要的。圖4所示為本文所要介紹的移動(dòng)電源電路，主要由AIC6511鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器、AIC3420升壓轉(zhuǎn)換器及MCU所組成。底下將針對(duì)所提出的移動(dòng)電源電路做詳細(xì)的說明。

鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器

鋰離子電池是目前應(yīng)用最廣泛的可重復(fù)充電式電池，可將單顆鋰電池用于低功率產(chǎn)品，也可以將多顆鋰電池串并聯(lián)得到更高電壓與容量，例如移動(dòng)電源就是將多顆鋰電池并聯(lián)來獲得高容量。鋰電池具有能量密度高、自放電率低、無記憶效應(yīng)、壽命長、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，非常適合做為便攜式產(chǎn)品的電力來源。

鋰電池充電IC分為線性式及切換式兩種，線性式充電IC的成本低，IC接腳數(shù)較少，只需要少數(shù)的被動(dòng)組件。然而線性式充電IC有較大的功率損耗，若設(shè)計(jì)不好常會(huì)導(dǎo)致IC溫度過高，且一般移動(dòng)電源大多使用散熱較差的塑料外殼，使得線性式充電IC無法提供較大的充電電流，因此線性式充電IC通常比較適合低容量鋰離子電池應(yīng)用。若希望在短時(shí)間之內(nèi)將電池充飽，則必須要提高充電電流，此時(shí)可以考慮應(yīng)用切換式充電IC。切換式充電IC利用開關(guān)的高頻切換來達(dá)到能量的傳遞，可提供較大的充電電流，且具有高轉(zhuǎn)換效率不會(huì)有過熱現(xiàn)象，適合高容量電池的充電應(yīng)用。

充電過程中，當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，要立即停止充電，以避免電池過充而產(chǎn)生危險(xiǎn)，而當(dāng)電池放電時(shí)，電池電壓如果降至2.5V以下，要立即停止放電，以免電池過放而減少電池的使用壽命。除此之外，鋰電池在應(yīng)用上，還會(huì)加上短路保護(hù)電路，防止鋰電池因短路而造成危險(xiǎn)。

鋰電池對(duì)充電要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的±0.5%之內(nèi)。目前鋰電池充電最常采用三段充電法，即預(yù)先充電模式（TrickleChargeMode）、定電流充電模式（ConstantCurrentChargeMode）、定電壓充電模式（ConstantVoltageChargeMode）。充電IC在充電前會(huì)偵測(cè)電池的狀態(tài)，若電池電壓大于3V，將以定電流充電模式充電；若電池電壓低于3V，則以預(yù)先充電模式（約10%的定電流充電模式充電電流）充電，到接近終止電壓時(shí)，改為定電壓模式充電，此時(shí)電池電壓幾乎不變，但充電電流會(huì)持續(xù)下降，當(dāng)充電電流降到某一值時(shí)（約10%的定電流充電模式充電電流），充電電流會(huì)被關(guān)閉，完成充電。圖5所示為采用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。

自制充電寶最簡電路方案設(shè)計(jì)（二）

有一塊廢舊的筆記本電腦電池，打算廢物利用，制作一個(gè)移動(dòng)充電寶。將這個(gè)筆記本電池拆開后，用萬用表測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其中有兩節(jié)電芯的電壓為0V，估計(jì)此前筆記本電池用不了多長時(shí)間，原因就在這里，于是把電壓為0V的那兩節(jié)電芯扔掉。制作的原理圖見下圖。通過原理圖左邊USB插座，輸入5V直流，可以給電芯組充電。充滿后，就可以隨身攜帶，通過3.7V升壓到5V的升壓模塊輸出5V直流，給手機(jī)等設(shè)備充電了。

材料：3.7V升壓到5V的DC-DC直流升壓模塊1塊，開關(guān)1只，USB插座母座1只，導(dǎo)線若干。

制作過程也比較簡單，按原理圖進(jìn)行連線焊接，然后再用熱熔膠對(duì)電芯組、升壓模塊、開關(guān)、USB母座進(jìn)行固定，固定在原來的筆記本電池盒子里就可大功告成。

自制充電寶最簡電路方案設(shè)計(jì)（三）

原理圖

在網(wǎng)上買的電路板上面會(huì)寫明+（正極）-（負(fù)極）接出兩根線來。如圖；

電池的選擇；最好用鋰電池，電壓最好用3.7V的，電池于電池之間的電壓要相等。

把它們的正負(fù)極并聯(lián)起來就行，記住是并聯(lián)。

自制充電寶最簡電路方案設(shè)計(jì)（四）

一款手機(jī)充電器電源變換電路的分析

分析一個(gè)電源，往往從輸入開始著手。220V交流輸入，一端經(jīng)過一個(gè)4007半波整流，另一端經(jīng)過一個(gè)10歐的電阻后，由10uF電容濾波。這個(gè)10歐的電阻用來做保護(hù)的，如果后面出現(xiàn)故障等導(dǎo)致過流，那么這個(gè)電阻將被燒斷，從而避免引起更大的故障。右邊的4007、4700pF電容、82K電阻，構(gòu)成一個(gè)高壓吸收電路，當(dāng)開關(guān)管13003關(guān)斷時(shí)，負(fù)責(zé)吸收線圈上的感應(yīng)電壓，從而防止高壓加到開關(guān)管13003上而導(dǎo)致?lián)舸?3003為開關(guān)管（完整的名應(yīng)該是MJE13003），耐壓400V，集電極最大電流1.5A，最大集電極功耗為14W，用來控制原邊繞組與電源之間的通、斷。當(dāng)原邊繞組不停的通斷時(shí)，就會(huì)在開關(guān)變壓器中形成變化的磁場，從而在次級(jí)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于圖中沒有標(biāo)明繞組的同名端，所以不能看出是正激式還是反激式。

不過，從這個(gè)電路的結(jié)構(gòu)來看，可以推測(cè)出來，這個(gè)電源應(yīng)該是反激式的。左端的510K為啟動(dòng)電阻，給開關(guān)管提供啟動(dòng)用的基極電流。13003下方的10電阻為電流取樣電阻，電流經(jīng)取樣后變成電壓（其值為10*I），這電壓經(jīng)二極管4148后，加至三極管C945的基極上。當(dāng)取樣電壓大約大于1.4V，即開關(guān)管電流大于0.14A時(shí)，三極管C945導(dǎo)通，從而將開關(guān)管13003的基極電壓拉低（鉗位），從而集電極電流減小，這樣就限制了開關(guān)的電流，防止電流過大而燒毀（其實(shí)這是一個(gè)恒流結(jié)構(gòu)，將開關(guān)管的最大電流限制在140mA左右）。

變壓器左下方的繞組（取樣繞組）的感應(yīng)電壓經(jīng)整流二極管4148整流，22uF電容濾波后形成取樣電壓。為了分析方便，我們?nèi)∪龢O管C945發(fā)射極一端為地。那么這取樣電壓就是負(fù)的（-4V左右），并且輸出電壓越高時(shí)，采樣電壓越負(fù)。取樣電壓經(jīng)過6.2V穩(wěn)壓二極管后，加至開關(guān)管13003的基極。前面說了，當(dāng)輸出電壓越高時(shí)，那么取樣電壓就越負(fù)，當(dāng)負(fù)到一定程度后，6.2V穩(wěn)壓二極管被擊穿，從而將開關(guān)13003的基極電位拉低，這將導(dǎo)致開關(guān)管斷開或者推遲開關(guān)的導(dǎo)通，從而控制了能量輸入到變壓器中，也就控制了輸出電壓的升高，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出的功能。

而下方的1K電阻跟串聯(lián)的2700pF電容，則是正反饋支路，從取樣繞組中取出感應(yīng)電壓，加到開關(guān)管的基極上，以維持振蕩。右邊的次級(jí)繞組就沒有太多好說的了，經(jīng)二極管RF93整流，220uF電容濾波后輸出6V的電壓。沒找到二極管RF93的資料，估計(jì)是一個(gè)快速恢復(fù)管，例如肖特基二極管等，因?yàn)殚_關(guān)電源的工作頻率較高，所以需要工作頻率的二極管。這里可以用常見的1N5816、1N5817等肖特基二極管代替。

自制充電寶最簡電路方案設(shè)計(jì)（五）

當(dāng)USB_IN有電源接入時(shí)，pA6由低變高，使用外部中斷喚醒MCU進(jìn)入充電工作。

輸入/輸出電壓偵測(cè)

充電模式可通過此偵測(cè)電路，對(duì)外部電壓進(jìn)行偵測(cè)，當(dāng)外部電壓高于5.5V時(shí)，由硬件強(qiáng)制關(guān)閉pWM輸出，并產(chǎn)生中斷進(jìn)行處理。除此之外，由于輸入電壓來源有可能是一般計(jì)算機(jī)上的USB端口或是墻上變壓器的5V輸出埠，兩種來源的最大電流供應(yīng)能力不同，在充電時(shí)可通過偵測(cè)輸入電壓降低來得知輸入來源電流供應(yīng)能力的極限，進(jìn)而將充電電流固定，不再加大。

當(dāng)移動(dòng)電源向外部負(fù)載進(jìn)行放電時(shí)，偵測(cè)電路對(duì)放電電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如上圖，OVp在mcu內(nèi)部連接到ADC中，可通過采樣電壓值，來控制pWM進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。當(dāng)輸出端由重載（例如輸出5V/1.5A）時(shí)，如果負(fù)載忽然拔除時(shí)，此時(shí)輸出電壓一定會(huì)忽然上升，此上升速度要通過軟件調(diào)節(jié)pWM使其下降會(huì)比較慢，故此時(shí)可通過OVp機(jī)制由硬件強(qiáng)制關(guān)閉pWM輸出，并產(chǎn)生中斷進(jìn)行處理。

由于一般手機(jī)會(huì)偵測(cè)移動(dòng)電源的輸出電壓高于5V才會(huì)啟動(dòng)手機(jī)充電模式，故輸出電壓可設(shè)定在5.15V，可防止由于手機(jī)充電線線損過大導(dǎo)致啟動(dòng)充電模式失敗的狀況發(fā)生。

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