鉅大LARGE | 點擊量：14656次 | 2018年07月15日
五個自制充電寶的最簡電路方案
自制充電寶最簡電路方案設(shè)計（一）
隨著便攜式產(chǎn)品不斷成長，移動電源的需求也持續(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(dǎo)體所開發(fā)的AIC6511及AIC3420作為設(shè)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(zhuǎn)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(dāng)?shù)腎C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(zhuǎn)換器、AIC3420升壓轉(zhuǎn)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(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，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)的被動組件。然而線性式充電IC有較大的功率損耗，若設(shè)計不好常會導(dǎo)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(yīng)用。若希望在短時間之內(nèi)將電池充飽，則必須要提高充電電流，此時可以考慮應(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)換效率不會有過熱現(xiàn)象，適合高容量電池的充電應(yīng)用。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
充電過程中，當(dāng)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(chǎn)生危險，而當(dāng)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(yīng)用上，還會加上短路保護(hù)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(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在充電前會偵測電池的狀態(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，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(xù)下降，當(dāng)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(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（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(fā)現(xiàn)其中有兩節(jié)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(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（三）
原理圖
在網(wǎng)上買的電路板上面會寫明+（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（四）
一款手機(jī)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(jīng)過一個4007半波整流，另一端經(jīng)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(hù)的，如果后面出現(xiàn)故障等導(dǎo)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(gòu)成一個高壓吸收電路，當(dāng)開關(guān)管13003關(guān)斷時，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，就會在開關(guān)變壓器中形成變化的磁場，從而在次級繞組中產(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，從這個電路的結(jié)構(gòu)來看，可以推測出來，這個電源應(yīng)該是反激式的。左端的510KΩ為啟動電阻，給開關(guān)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(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，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（其實這是一個恒流結(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，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，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，實現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出的功能。
而下方的1KΩ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，估計是一個快速恢復(fù)管，例如肖特基二極管等，因為開關(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（五）
當(dāng)USB_IN有電源接入時，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
充電模式可通過此偵測電路，對外部電壓進(jìn)行偵測，當(dāng)外部電壓高于5.5V時，由硬件強制關(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，在充電時可通過偵測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)移動電源向外部負(fù)載進(jìn)行放電時，偵測電路對放電電壓進(jìn)行監(jiān)測，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，如果負(fù)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(diào)節(jié)PWM使其下降會比較慢，故此時可通過OVP機(jī)制由硬件強制關(guān)閉PWM輸出，并產(chǎn)生中斷進(jìn)行處理。
由于一般手機(jī)會偵測移動電源的輸出電壓高于5V才會啟動手機(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)致啟動充電模式失敗的狀況發(fā)生。
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