【移动电源设计与实现7000字（论文）】

引言1.1研究背景移动互联网的快速发展，各类移动手持设备的大量涌现，以智能手机为代表的数码通讯产品性能不断提高，屏幕越来越大，但产品本身可容纳的电池体积越来越小，直接导致便携数码产品自带电池能量无法满足日常使用需要。于是，移动电源应运而生，移动电源可作为数码产品的充电电源或外拉电源使用，即可对数码产品进行多次充电、也可对数码产品进行长时间连续供电，可解决数码产品在户外条件下无法充电和不能长时间工作的问题，因此移动电源获得了越来越多用户的青睐。本课题的研究就是基于这样的市场背景下，使用最小成本，最快的速度设计出一款即安全又价廉物美的移动电源。基于一次保护回路基础上，增加过温保护和一次保护失效的过流保护，从而有效地解决了锂离子热失控引发的安全问题。1.2主要工作内容本课题的主要工作内容是构建基于PTC&NTC组件为核心，用在保护电路中作为安全保护的控制器，实现具有多重安全保护的移动电源设计。主要工作可划分为系统硬件设计和功能测试两大部分。（1）系统硬件设计主要工作：1、根据系统框图，移动电源的主要组成部分规划2、主要构成组件的选型4、基于PTC&NTC系统硬件设计并制作保护电路板和系统整机（2）功能测试的主要工作：1、电路单项功能测试2、测试软件应用和测试设备的架设（3）本课题的创新点如下：1、构建了基于PTC的二次保护电路，当一次保护失效时，直接切断回路的异常大电流通过，从而有效保护系统。2、引入温度传感器NTC技术，结合USB充电管理回路，管控在充电过程中锂电池温度持续上升的充电中断，避免锂离子的热失控。1.3充电电路工作原理当输入电压大于电源低电压检测阈值并且芯片能使输入端接高电平时，充电电路开始对电池充电，CHRG管脚输出低电平，红色指示灯亮，表示充电正在进行。图1.1充电电路工作原理如果电池电压低于3V，充电电路用小电流对电池进行预充电。当电池电压超过3V时，充电电路采用恒流模式对电池充电，充电电流由PROG管脚和GND之间的电阻确定。当电池电压接近4.2V时，充电电流逐渐减小，充电电路自动进入恒压充电模式。当充电电流减小到充电结束闭值时，充电周期结束，CHRG引脚输出高阻态，STEBY引脚输出低电位，此时红色指示灯灭，绿色指示灯亮，表示充电过程结束。2系统方案设计2.1系统方案组成为了设计出一款投入低成本、性价比高而且更安全可靠的移动电源，按照本课题的研究目标，本系统的设计思想是在一次保护基础上，构建过温保护和一次保护失效的过流保护，从而有效地解决了锂离子热失控引发的安全问题。因此本文设计的移动电源系统方案的主要组成部分：充电管理回路、锂电池保护回路、电量显示回路、DC-DC升压回路以及USB充电控制回路。2.2系统硬件方案选定2.2.1锂电池组件锂电池是移动电源的核心，也就是电池，负责为整个移动电源提供源源不断的动力。锂离子电池材料的热稳定性是锂离子电池安全的重要影响因素。18650锂电是索尼公司为节约成本而定下的一种标准电池型号，其相对镍氢电池，具有容量大、储能效率高、稳定性好、没有记忆效应等特点，同时制造工艺简单，生产技术成熟，广泛应用于各种电子设备中。目前市场上技术成熟为日系（松下、三洋、索尼）和韩系（LG、SDI）电池，综合性价比，本案选用LGICR18650B42600mAh电池。2.2.2充电管理芯片EUTECH公司EUP8092系列是高度集成的单节锂离子/聚合物电池充电器IC专为手持设备。本充电器设计各类AC适配器或USB端口，可在输入电压低至2.65V工作电压。该EUP8092用作线性充电器和充电电池分为三个阶段：涓电流、恒流、恒压。当交流适配器连接，一个外部电阻设置充电电流，其可以被编程为1.5A与TDFN10封闭和一个电流限制适配器为最低功耗的大小。EUP8092具有温度调节回路控制充电电流以保持安全运行，当PCB缺乏足够散热的设计。可编程充电定时器为终端提供了安全性。如果电池电压低于内部阈值，EUP8092自动重新开始充电，当电源断开自动进入睡眠模式。进行充电时，无需外部检测电阻或隔离二极管。NTC热敏电阻接口用于电池充电在安全的温度范围内。2.2.3锂电池保护芯片锂电池选用LGICR18650B4，关键参数：充电电压4.2±0.05V，放电截止电压2.75V,工作温度：充电0~45℃/放电-20~60℃。故本文选用的保护控制IC为Mitsumi制造的MM3511，保护电压侦测点精度相比其它IC要高。除了控制IC外，保护电路中还有一个重要组件，就是MOSFET，它在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFET较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。开关部件（FET）为配合保护IC工作而设置的，一般有两个MOS管组成，一个为充电控制MOS，另一个为放电控制MOS。在保护电路中，受保护IC控制。2.2.4升压管理芯片远翔科技FP6290H是电流模式提高直流-直流转换器。PWM电路内置0.15powerMOSFET使得这个转换器高功率效率。可选择的高开关频率允许更快的循环反应和简单的过滤与低噪声输出。非反相输入的误差放大器连接到一个内部参考电压1.24V精度。2.2.5电量管理芯片UTC公司LM324系列是低成本的四路运算放大器，具有真正的差分输入。在单电源应用中，它们与标准运算放大器类型相比具有几个明显的优势。该四路放大器可以工作于低至3.0V或高达32V的电源电压，静态电流是MC1741的五分之一左右（每个放大器）。共模输入范围包括负电源，因此在众多应用中无需外部偏置元组件。输出电压范围也包括负电源电压。可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源，标准的5V电源电压。2.2.6电量显示组件用四个发光LED二极管显示。当电量为75%以上时，四个LED全亮；当电量为50%～75%，其中有3个LED亮；当电量为25%～50%，其中2个LED亮；当电量为5%～25%，其中1个LED亮；当电量为5%以下时，4个LED全灭。2.2.7USB充电芯片F75198是USB专用充电器识别电路最智能的，它可以识别的市场上主流手持设备。它允许设备消耗的电流尽可能使用原装适配器。它支持大部分的USB电池充电规范（全球范围内），包括BC1.2，苹果电脑公司的充电规格（用于IPAD＆Iphone）和规格的三星GalaxyTab。通过设置在USB数据引脚（D+/D-）到所需的电压电平，则该充电装置将识别的电压电平，并开始调整电流充电。3、直流稳压电源的简介3.1稳压源的定义能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源。3.2直流稳压电源的原理在电子电路和电气设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流稳压电源的原理是一种将220v的交流电通过变压、整流、滤波、稳压一系列装置转换成稳压输出的直流电压，其中，变压器的选择是使用降压变压器，它将电网220v交流电压变成我们想要的交流电压，并且将变换出来的电压送给整流电路，变压器的变比将由它的副边电压来确定[[]颜伟.可调直流稳压电源电路的设计[J].信息通信.2015(06)][]颜伟.可调直流稳压电源电路的设计[J].信息通信.2015(06)3.3直流稳压电源的基本组成能够把交流电转变为平滑的﹑稳定的直流电的装置叫直流稳压电源。它主要由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成，如图3.1所示。图3.1直流稳压源的组成其中：电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。整流电路的作用是将交流电压变为脉动的直流电压，滤波电路的作用是使脉动的直流电压变得更加平滑，稳压电源的作用是使负载电路电流或在电网电压波动变化时保持输出电压基本不变。3.4直流稳压电源的分类直流稳压电源的种类很多，从不同角度上分析可分为以下的几类。1、按作用器件分，有可控硅稳压器、稳压管稳压器、电子管稳压器、晶体管稳压器等；2、按电路的主要部分是分立元件还是集成电路分，有分立元器件、集成线性稳压器和集成开关稳压器组成的稳压器。3、按调整器件的工作状态分，可分为两类开关稳压和线性稳压，调整器件的工作状态是开关状态时称为串联式稳压器。4、按照稳定方式分，可以分为反馈调整型整型稳压器和有参数型稳压器。而参数型稳压器电路比较简单，它的运用主要是通过电子组件的非线性实现。5，按照调负载链接方式和调整元件分，可分为串联式和并联式稳压器，负载和调整元件串联的称为串联式稳压器，相反的负载与调整元件并联的成为并联式稳压器。4直流稳压电源的详细设计4.1电源变压器图4.1电源变压器电源变压器的作用是将交流电网220V的交流电压变换为所需的交流电压。变压器的副边与原边的功率比定义为变压器的效率。一般地，电网供给有效值为220V的交流电[[]望超,余良俊,刘美中.直流稳压电源及漏电保护装置设计[J].现代物业(上旬刊).2013(12)][]望超,余良俊,刘美中.直流稳压电源及漏电保护装置设计[J].现代物业(上旬刊).2013(12)变压器计算公式：假设变压器处于理想状态，即不计初，次级线圈的电阻损耗，当其间耦合系数为1时，令：且初级次级线圈缠绕的铁芯中磁通量为φ，盖磁通量称为主磁通。则变压器的电动势平衡方程为：（4.1）（4.2）若初级次级线圈内的电压电动势的瞬时值都按照正弦规律（一般交流电都按账号正弦规律变化），则由于理想状态不计铁芯损失，有能量守恒定律得：（4.3）令(称为匝数比)则（4.4）上式表明,变压器在改变电压的同时，电流也随之成反比例地变化，且一次、二次电流之比等于匝数之反比，即变压器具有变流功能。4.2整流电路整流电路的任务是将交流电变为直流电，完成这一任务主要靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件[[]刘铁,王晓曼,乔彬,叶放.集成运算放大器应用中的相位补偿及带宽匹配[J].科技资讯.2014(02)][]刘铁,王晓曼,乔彬,叶放.集成运算放大器应用中的相位补偿及带宽匹配[J].科技资讯.2014(02)图4.2单相桥式整流电路在桥式整流电路中，二极管D1，D3和D2，D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为:（4.5）每只整流二极管承受的最大反向电压为：（4.6）一般电网电压波动范围为±10%。实际上选用的二极管的最大整流电流和最高反向电压应留有大于10%的余量。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正，负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。4.3滤波电路滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式和电感输入式。[[]王聪敏,李少娟,林艳红,赵颖娟.直流稳压电源的设计[J].西安邮电学院学报.2014(11)][]王聪敏,李少娟,林艳红,赵颖娟.直流稳压电源的设计[J].西安邮电学院学报.2014(11)图4.3电容输入式滤波电路图4.4电容滤波电路波形图4.4稳压电路直流稳压电路使输出直流基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性，是输出直流稳定。简单的稳压电路由稳压二极管和限流电阻所组成，电路采用误差放大电路方案，电路原理图如图4.5所示。其中R3、R4及可调为取样电路，Q3为误差放大管，R2与D5构成基准电路。当输出电压升高时，B点电压上升，C点电压升高，而D点电压下降，使Q1、Q2电流减少，分压增加，从而使输出降低。图4.5稳压器稳压电路原理图5稳压电源的实现方案与器件的选择5.1稳压电源的实现方案5.1.1串联型稳压电源简单的串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值的限制无法调节，需要在晶体管的电流放大下，增大负载电流；在电路中加个电压负反馈使输出的电压稳定；并且，通过改变反馈网络参数使输出电压可调。串联稳压电源相对于并联稳压电源来说电源有效率高、输出调节范围大点、稳定性也高。5.1.2简单的并联型稳压电源并联型稳压电源的调整元件与负载并联[[]冯燕.直流稳压电源保护电路的分析[J].微计算机信息.2016(20)][]冯燕.直流稳压电源保护电路的分析[J].微计算机信息.2016(20)5.1.3输出可调的开关电源开关型稳压电路已经可具有高频率、高耐压、功率大、功耗小、重量轻、体积小、等优点。但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，稳定性差，纹波大，因此不能采用此方案。综合考虑纹波系数、输入电压、输出电压、负载调整率、输出功率、效率，对方案一、方案二、方案三本次设计选取方案一，要求较低，易实现，元件容易找，电路也比较简单。5.2总体器件的选择5.2.1集成三端稳压器根据输出要求可知，有固定输出和可调输出两种。由于集成稳压器具有稳定性高以及完善的内部保护措施，并且使用方便、价格低廉，所以决定采用7812、7912、7805作为固定稳压器，纹波电压均可在50mV以下，输出电流可达到1.5A。采用LM317作为可调稳压器，纹波电压均可在50mV以下；输出电流方面，317系列TO220封装也可达到1.5A。完全满足设计要求。故采用上述器件作为整个电源的稳压部分。5.2.2变压器的选用根据设计要求：（1）4路直流电压输出（+5V、±12V、以及+1.25V~+14V可调）。（2）各路直流输出电流≥0.5A确定变压器的副边电流I2：I2U2max0.8A,所以I2=1A,[[]刘建,高振玲.直流稳压电源的设计[J].河北建筑工程学院学报.2015(04)]结合输出电流要求，选择的变压器的副边输出功率：P=I2U2=12W，由于变压器的原边输入功率为0.7,所以选功率为20[]刘建,高振玲.直流稳压电源的设计[J].河北建筑工程学院学报.2015(04)5.2.3整流电路的二极管管子导通电流为0.5IO=250mA。查手册可知，常用整流二极管1N4007最大反向耐压为1000V，最大正向平均整流电流为1A，完全可以满足本设计要求。因此采用1N4007搭成单相全波整流电路作为直流电源的整流电路。因为U2=12V所以二极管的反向击穿电压为UBR=50V>21V；最大整流电流为IF=1A>0.25A。5.2.4滤波电容的选择根据输出电流大小选择滤波电容的参数，输出电压为12v，最大输出电流为1A,则1A输出电流对应的负载电阻R=15欧，根据（3~5）T/2条件，则C1=1300~3300UF,取2200UF~3300UF可以满足。由参数计算可得输出电压U2为12v功率为12欧的变压器，整流电路的二级管选取IN4001,LM317集成稳压器，C4取10Uf,C3取100Nf,R3=100NfD2取1N3493,R3=240Ω。结论本文设计的智能移动电源主要由输入电路、充电电路、升压电路、输出电路、保护电路五部分组成。电电路利用TP4056电源管理芯片自动完成充电过程。充电电压固定于2V，充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值I/10时，充电电路将自动终止充电循环。当输入电压(交流适配器或USB电源)中断时，