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五個自制充電寶的最簡電路方案

鉅大LARGE  |  點擊量:9138次  |  2018年07月15日  

摘要
隨著便攜式產品不斷成長,移動電源的需求也持續增加,輕薄小巧、快速充電、轉換效率高及高安全性等也成為消費者購買移動電源時的首要考慮,為了滿足消費者的需求,許多公司都推出移動電源解決方案,在此我們以沛亨半導體所開發的AIC6511及AIC3420作為設計范例,提供給讀者參考。

自制充電寶最簡電路方案設計(一)


隨著便攜式產品不斷成長,移動電源的需求也持續增加,輕薄小巧、快速充電、轉換效率高及高安全性等也成為消費者購買移動電源時的首要考慮,為了滿足消費者的需求,許多公司都推出移動電源解決方案,在此我們以沛亨半導體所開發的AIC6511及AIC3420作為設計范例,提供給讀者參考。


一個完整的移動電源電路包含了電池充電管理IC、升壓轉換器IC及MCU,每個部分都會影響移動電源的整體效能,所以選用適當的IC是非常重要的。圖4所示為本文所要介紹的移動電源電路,主要由AIC6511鋰離子電池充電轉換器、AIC3420升壓轉換器及MCU所組成。底下將針對所提出的移動電源電路做詳細的說明。

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鋰離子電池充電轉換器


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


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接腳數較少,只需要少數的被動組件。然而線性式充電IC有較大的功率損耗,若設計不好常會導致IC溫度過高,且一般移動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用。若希望在短時間之內將電池充飽,則必須要提高充電電流,此時可以考慮應用切換式充電IC。切換式充電IC利用開關的高頻切換來達到能量的傳遞,可提供較大的充電電流,且具有高轉換效率不會有過熱現象,適合高容量電池的充電應用。


充電過程中,當電池電壓上升到4.2V時,要立即停止充電,以避免電池過充而產生危險,而當電池放電時,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,鋰電池在應用上,還會加上短路保護電路,防止鋰電池因短路而造成危險。


鋰電池對充電要求很高,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。目前鋰電池充電最常采用三段充電法,即預先充電模式(TrickleChargeMode)、定電流充電模式(ConstantCurrentChargeMode)、定電壓充電模式(ConstantVoltageChargeMode)。充電IC在充電前會偵測電池的狀態,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,改為定電壓模式充電,此時電池電壓幾乎不變,但充電電流會持續下降,當充電電流降到某一值時(約10%的定電流充電模式充電電流),充電電流會被關閉,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。

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自制充電寶最簡電路方案設計(二)


有一塊廢舊的筆記本電腦電池,打算廢物利用,制作一個移動充電寶。將這個筆記本電池拆開后,用萬用表測量,發現其中有兩節電芯的電壓為0V,估計此前筆記本電池用不了多長時間,原因就在這里,于是把電壓為0V的那兩節電芯扔掉。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,給手機等設備充電了。


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


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

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自制充電寶最簡電路方案設計(三)


原理圖

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在網上買的電路板上面會寫明+(正極)-(負極)接出兩根線來。如圖;

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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。


把它們的正負極并聯起來就行,記住是并聯。

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自制充電寶最簡電路方案設計(四)


一款手機充電器電源變換電路的分析


分析一個電源,往往從輸入開始著手。220V交流輸入,一端經過一個4007半波整流,另一端經過一個10歐的電阻后,由10uF電容濾波。這個10歐的電阻用來做保護的,如果后面出現故障等導致過流,那么這個電阻將被燒斷,從而避免引起更大的故障。右邊的4007、4700pF電容、82KΩ電阻,構成一個高壓吸收電路,當開關管13003關斷時,負責吸收線圈上的感應電壓,從而防止高壓加到開關管13003上而導致擊穿。13003為開關管(完整的名應該是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。當原邊繞組不停的通斷時,就會在開關變壓器中形成變化的磁場,從而在次級繞組中產生感應電壓。由于圖中沒有標明繞組的同名端,所以不能看出是正激式還是反激式。

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不過,從這個電路的結構來看,可以推測出來,這個電源應該是反激式的。左端的510KΩ為啟動電阻,給開關管提供啟動用的基極電流。13003下方的10Ω電阻為電流取樣電阻,電流經取樣后變成電壓(其值為10*I),這電壓經二極管4148后,加至三極管C945的基極上。當取樣電壓大約大于1.4V,即開關管電流大于0.14A時,三極管C945導通,從而將開關管13003的基極電壓拉低(鉗位),從而集電極電流減小,這樣就限制了開關的電流,防止電流過大而燒毀(其實這是一個恒流結構,將開關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)的感應電壓經整流二極管4148整流,22uF電容濾波后形成取樣電壓。為了分析方便,我們取三極管C945發射極一端為地。那么這取樣電壓就是負的(-4V左右),并且輸出電壓越高時,采樣電壓越負。取樣電壓經過6.2V穩壓二極管后,加至開關管13003的基極。前面說了,當輸出電壓越高時,那么取樣電壓就越負,當負到一定程度后,6.2V穩壓二極管被擊穿,從而將開關13003的基極電位拉低,這將導致開關管斷開或者推遲開關的導通,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,實現了穩壓輸出的功能。


而下方的1KΩ電阻跟串聯的2700pF電容,則是正反饋支路,從取樣繞組中取出感應電壓,加到開關管的基極上,以維持振蕩。右邊的次級繞組就沒有太多好說的了,經二極管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,估計是一個快速恢復管,例如肖特基二極管等,因為開關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計(五)


當USB_IN有電源接入時,PA6由低變高,使用外部中斷喚醒MCU進入充電工作。


輸入/輸出電壓偵測


充電模式可通過此偵測電路,對外部電壓進行偵測,當外部電壓高于5.5V時,由硬件強制關閉PWM輸出,并產生中斷進行處理。除此之外,由于輸入電壓來源有可能是一般計算機上的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能力不同,在充電時可通過偵測輸入電壓降低來得知輸入來源電流供應能力的極限,進而將充電電流固定,不再加大。

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當移動電源向外部負載進行放電時,偵測電路對放電電壓進行監測,如上圖,OVP在mcu內部連接到ADC中,可通過采樣電壓值,來控制PWM進行電壓調節。當輸出端由重載(例如輸出5V/1.5A)時,如果負載忽然拔除時,此時輸出電壓一定會忽然上升,此上升速度要通過軟件調節PWM使其下降會比較慢,故此時可通過OVP機制由硬件強制關閉PWM輸出,并產生中斷進行處理。


由于一般手機會偵測移動電源的輸出電壓高于5V才會啟動手機充電模式,故輸出電壓可設定在5.15V,可防止由于手機充電線線損過大導致啟動充電模式失敗的狀況發生。


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