多功能隨身電源電路
多功能隨身電源電路
本文論述的電路系統(tǒng)設計由五部分組成：鋰芯容量指示電路、電芯保護電路、充電管理電路、DC-DC升壓電路和功能擴展電路。鋰芯容量指示電路由XC61CC系列的電壓監(jiān)控芯片組成。電芯保護電路由過充保護、過放保護、過溫保護三部分組成，HAT2027、R5402、自恢復保險絲構建了三重保護，使鋰芯安全性大大增強。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、恒壓充電和維護充電四個部分，使移動隨身電源能夠最大程度地儲備能量。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最大限度釋放，達到對多種數(shù)碼設備供電的目的。功能擴展涵蓋了戶外活動所涉及的常見需求，具有應急夜間高亮照、戶外防盜安全警報、野營驅蚊等功能。
多功能隨身電源的電路實現(xiàn)
鋰芯保護電路
如圖1所示，電芯保護電路主要由R5402和HAT2027共同組成。除此之外，自恢復保險絲起到了最后一層保護的作用。
R5402是一種高精度、基于CMOS的鋰芯電池電壓保護芯片。HAT2027是具有電流流通方向可調的雙MOS產(chǎn)品。
充電時，電池電壓從低到高上升，當電池電壓大于4.25V時，充電狀態(tài)被鎖存，引腳COUT就會從高電平跳為低電平，HAT2027內置二極管發(fā)揮單向導通作用。電流方向只能從1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)，隔離充電電源對高能量電池組持續(xù)充電。只有當過充時，斷開充電電源，過充鎖存狀態(tài)才會被釋放，COUT重新變?yōu)楦唠娖?，HAT2027的1、3引腳此時雙向導通，鋰芯才能正常工作。
放電時，電池電壓下降，當小于2.3V時，放電狀態(tài)被鎖存，引腳DOUT的輸出從高電平跳為低電平，HAT2027內置二極管發(fā)揮單向導通作用。電流方向只能從3腳到1腳，鋰芯電池組無法繼續(xù)給負載放電。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)也不會被釋放，這就保證了電池組在經(jīng)過長時間放電，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。只有當過放時，接上充電電源，鋰芯電壓開始高于過放電壓時，過放鎖存狀態(tài)才會被釋放，同時引腳DOUT的電壓重新變?yōu)楦唠娖剑琀AT2027的1、3引腳雙向導通，鋰芯既能工作在放電狀態(tài)，又能工作在充電狀態(tài)。
當鋰芯短路時，D。，跳到低電平。此時，鋰芯受HAT2027控制無法放電，起到鋰芯保護作用。與此同時，自恢復保險絲由于短路的大電流，會受熱膨脹，電路切斷，起到最后一層保護的作用。當短路故障排除，白恢復保險絲恢復，R5402檢電器釋放，D。，，重新恢復高電平。
該電路還增設了"休眠"的功能。當電路工作在過放狀態(tài)，補充電流將會保持非常低的值，從而停止內部電路的工作，使低能量的鋰芯不會被R5402和系統(tǒng)后級回路繼續(xù)消耗能量。 該電路還具有瞬時監(jiān)控功能。在鋰芯負極取一個電壓接到R5402的V引腳，內置檢電器的延時可以減少大概1／57秒。因此，可以監(jiān)測電池容量瞬時狀態(tài)。
DC-DC升壓電路
本系統(tǒng)中，DC-DC升壓電路主要由MAX1771構成，該控制器采用獨特的控制方案，結合PFM(脈沖頻率調制)及PWM(脈沖寬度調制)的優(yōu)越性，提供一個高效、較寬電壓調節(jié)范圍的電源。前者具有較小的靜態(tài)電流，負載小的情況下效率較高，但紋波較大。后者在負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，同時在較大負載的情況下，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，同時也是輸出電壓。輸入電壓可以進行從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動，從而減小外接MOS管的開啟電阻。
MAX1771外接MOS管平時是關閉的，此時電感儲能。關閉期間，MAX1771會檢測外部輸入電壓，一旦降低到了一定限度，MAX1771就會開啟外部MOS管，電感釋放能量，重新提供驅動電壓。開關頻率隨負載電流和輸入電壓而定。5V電壓通過兩個反饋電阻分壓得到。
此外，續(xù)流二極管選用肖特基二極管SS34，該器件正向導通電壓小，響應時間短。
鋰芯容量指示電路
本系統(tǒng)電路設計采用了一種比較簡單且實用的方法，即通過測試鋰芯電池放電的時間電壓特性曲線，選取整個放電過程的四個位點電壓，用電壓來估算電池的容量。
如圖3所示，當按下電壓容量指示的功能按鍵，鋰芯的電池電壓會加到XC61系列芯片的VIN與VSS引腳上。當電壓高丁4.1V，四個芯片同時工作，電池與限流電阻、LED發(fā)光管形成四個回路。此時四個發(fā)光管同時發(fā)亮，表示電池容量飽和。當電池電壓在4.1V～3.8V之間，只有三個芯片工作，4102不工作，此時形成三個回路，三個發(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。
充電管理電路
充電管理電路由CN3066和繼電器構成，如圖4所示。當隨身電源監(jiān)測到有充電器對其充電時，繼電器令CN3066開始工作，CN3066將整個充電管理過程分為四個部分，即預充電、恒流充電、恒壓充電以及維護充電。
當CN3066開始工作時，CN3066會檢測電池電壓是否較低，如果是，則采用涓流充電，即一個比較小的恒定電流對電池進行充電，直至電池電壓上升到一個安全值。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，當單節(jié)鋰電池的電壓達到4.2V，恒流充電狀態(tài)結束，轉入恒壓充電狀態(tài)。在該狀態(tài)下，充電電壓恒定在4.2V。當鋰芯的電流下降為原來的1／10之后，恒壓充電狀態(tài)結束。在維護充電狀態(tài)，電池充足電后，若移動電源仍插在充電器上，電池會由于自放電而損失電量。CN3066以非常小的電流對鋰芯充電或監(jiān)測電池電位，以備對鋰芯再充電，這種狀態(tài)稱為維護充電狀態(tài)。
在本電路中，CN3066會實時監(jiān)測鋰芯的電壓、溫度、充電電流和充電時間。一旦電池的溫度達到60℃，或鋰離子電池的電壓達到4.2V，恒壓充電狀態(tài)自動終止。此外，還應設置最長恒壓充電時間。在溫度和電壓檢測失敗的情況下，可以保證鋰電池安全充電。
當拔掉充電器，CN3066關閉，隨身電源處于預放電狀態(tài)。
多功能擴展電路
高亮照明功能
戶外活動時，特別是夜間活動，需要一個高亮的光源。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)光二極管和一個小的限流電阻共同組成。高亮管足夠5米內的照明光程。
戶外報警功能
戶外出行，個人財物的防盜至關重要。安全可靠的報警系統(tǒng)有助于保障個人財物的安全，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，當按下預報警功能鍵時，USB輸出電壓加載在報警系統(tǒng)上，此時移動隨身電源處于"預報警"狀態(tài)。當水銀開關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)出報警響聲，提醒注意安全。
野外驅蚊功能
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，用于驅趕蚊于。
電路測試
DC-DC電路測試
由圖7可見，移動電源連續(xù)放電的總能量在2200mAh以上，輸出穩(wěn)定。
擴展功能模塊的測試
夜行高亮燈管的有效光程為6米。報警系統(tǒng)能夠正常工作。驅蚊系統(tǒng)發(fā)出21KHz的噪聲，對蚊子具有明顯的驅趕作用。
總體測試
實驗結果證明，多功能隨身電源能對市面上大多數(shù)手機連續(xù)充電5次以上，對MP3、MP4充電12次以上，表明隨身電源在戶外活動中有充足的能量儲備。
結語
該方案科學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，還巧妙地設計了幾個人性化的功能模塊，滿足了戶外活動的常見需求。
本系統(tǒng)方案設計將多功能、低功耗、安全性、高容量、重量輕等諸多特點整合在一起，使整個產(chǎn)品的設計符合實際使用要求，具有廣闊的市場前景。
