户外移动数码产品充电系统的设计

户外移动数码产品充电系统的设计

随着数字技术的快速发展，手机、平板电脑、相机等手机软件产品的市场呈现出快速增长的趋势。国际数据公司(IDC)的跟踪报告显示,仅2013年第1季度,中国手机出货量就有9700万部,与2012年同期相比增长了15%。其中智能机出货量为7800万部,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,限制了电池容量的增加;功能的多样化又会加速电池能量的消耗,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,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等待时间;优化了升压电路,USB口具有输出2A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。1电源系统电路保护模块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,最大充电电流可以达到2.5A;升压模块负责将电池的电压由3.7V升压到5V,给消费者手中的移动数码产品充电;电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。2系统硬件设计2.1双系统模式控制模式ASC8513是开关式、同步整流单节锂电池充电管理芯片。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2A。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。2.1.1memscs测量电效率的选择通过设置RSNS和RISET的值可以设定电池恒流充电电流。RISET为芯片9脚ISET与地相连的电阻;RSNS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RSNS=0.1Ω。KISET是电流检测系数,典型值为1000。VISET是ISET管脚的电压,内部设定为1.5V。例如要让ICC=2A,则由式(1)可得,RISET=5K。(2)电感的选择电感上的电流纹波可以通过下式计算:ΔI为电感上的电流纹波值,fS为PWM振荡频率,VIN为ASC8513的输入电压,VBAT为电池的电压。从减少噪声上考虑,ΔI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10μH或22μH。2.1.2电池的充放电参数充电效率通过下式计算:η代表充电效率,IBAT=VSNS/RSNS为输入电池的电流,IIN为从芯片输入端流入的电流。开始测试前,电池的参数为:开路电压3.54V,容量4000mAh。测得数据如表1。2.2输出电压调整电路移动电源自身锂电池组的标称电压是3.7V,因此需要用将此电池电压升到5.0V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。通过改变R12和R13的阻值,可以调整PWM的占空比,从而调整输出电压的大小。输出电压满足下列关系:2个反馈电路应满足:R12+R13<50K。此模块要求升压到5V,所以令R12=30K,R13=10K。输出端电容EC2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EC2分别为220μF电解电容和220μF钽电容的时候,升压输出5V端口的波形如图4和图5所示。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,图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限制,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。在升压电路中,转化效率η是很重要的指标,转化效率的计算公式如下:Vout-5是输出电压,Iout-5是输出电流,Vin-me是升压芯片的输入电压,Iin-me是输入电流。转化效率除了与元件的选取和PCB的布局外,还与输入电压的大小有关,故规定输入电压在3.7V左右时,测得的转化效率如图6所示。由图6可知,当电流小于1.2A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。2.3过流保护电路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2A,升压电路将不再工作,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7主要是一个同相比例放大电路,输出电压Vout满足下式关系:随着负载的电流变大,VIN增大(Vout增大(VFB增大(升压芯片输出下降,例如当VFB的电压大于1.25V时,ME2109的输出电压就会降低到小于5V。系统中所用的单片机HT46R065B集成了AD集采的功能,当读到VIN的电压过高,就会置EN1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DW01芯片,对自身携带的锂电池组进行了短路、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控制系统软件设计为了消费者更方便的使用,此款移动电源增加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