畢業(yè)論文-基于DC-DC轉(zhuǎn)換移動(dòng)電源的研究與設(shè)計(jì)

頁(yè)基于DC-DC轉(zhuǎn)換移動(dòng)電源的研究與設(shè)計(jì)胡正午（指導(dǎo)教師，彭琦）（湖北師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院中國(guó)黃石435002）1.前言DC-DC移動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是利用電能轉(zhuǎn)換技術(shù)將電池或其他直流電源等一次電能轉(zhuǎn)換成適合各種用電對(duì)象的二次電能供應(yīng)的裝置，是電子工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，一切便攜式電子設(shè)備的動(dòng)力心臟。DC-DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能直接影響到整個(gè)電子系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們工作和生活的關(guān)系變得日益密切。同時(shí)，電子產(chǎn)品正向多元化發(fā)展，對(duì)電源的設(shè)計(jì)要求變得越來(lái)越高。近幾十年來(lái)，在微電子技術(shù)推動(dòng)作用下，DC-DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)得到了飛速發(fā)展，成為了電源管理系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，電源管理處于電源技術(shù)的核心地位，從2006年在深圳召開(kāi)的全球半導(dǎo)體大會(huì)可以看出目前電源管理在半導(dǎo)體市場(chǎng)中所處的位置，目前電源管理市場(chǎng)的增長(zhǎng)超過(guò)半導(dǎo)體行業(yè)的增長(zhǎng)。這里主要有三點(diǎn)因素，基于此既能看到機(jī)遇，同時(shí)也顯示出極大的挑戰(zhàn)。一是便攜性需求增加，但對(duì)電池管理和電源管理要求也更高;二是節(jié)能要求，要求市場(chǎng)當(dāng)中采取新的方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能，如果要使用高效率電源管理的話(huà)就需要不斷創(chuàng)新的電源管理方法，這就對(duì)電源管理芯片設(shè)計(jì)者們提出了新的要求，比如必須有待機(jī)狀態(tài)的電源管理，或者采用新的技術(shù)進(jìn)一步減小芯片內(nèi)部的功耗;三是不同的應(yīng)用領(lǐng)域也推動(dòng)電源管理市場(chǎng)的發(fā)展，目前市場(chǎng)出現(xiàn)高度的多元化，包括PC、手機(jī)、數(shù)字電視、掌上電腦、數(shù)碼相機(jī)等等，很多應(yīng)用都要求有更長(zhǎng)的電池壽命，重量輕，體積小等。新興市場(chǎng)和新興應(yīng)用將是半導(dǎo)體發(fā)展非常重要的兩點(diǎn)，也是電源管理發(fā)展的重點(diǎn)[1]。2.本文研究的意義隨著便攜式產(chǎn)品的增加，戶(hù)外電子產(chǎn)品在商旅、長(zhǎng)途旅行等用途上大功率的便攜式移動(dòng)產(chǎn)品的電池已不能滿(mǎn)足產(chǎn)品的供電。新興的便攜式電子產(chǎn)品也需要移動(dòng)電源充電器，如迷你便攜音響，GPS等車(chē)載用品，需求量大。記者在深圳深圳會(huì)展中心近期舉行的高交會(huì)了解到，很多國(guó)內(nèi)外的采購(gòu)商還第一次接觸移動(dòng)電源產(chǎn)品，這也是本次會(huì)展的一大亮點(diǎn)，采購(gòu)商們一致認(rèn)為移動(dòng)電源以后的普及度不亞于數(shù)碼相機(jī)等傳統(tǒng)數(shù)碼產(chǎn)品，觀(guān)展后很多采購(gòu)商紛紛到華強(qiáng)北市場(chǎng)尋找移動(dòng)電源貨源[6]。移動(dòng)電源早在10年前已經(jīng)出現(xiàn)，只是一直沒(méi)有普及和火熱起來(lái)，主要是前些年電子便攜式產(chǎn)品的增長(zhǎng)和普及沒(méi)有現(xiàn)在迅速，移動(dòng)電源的發(fā)展將會(huì)推動(dòng)電池行業(yè)的革新，電池電芯將會(huì)向高容量、小體積、低污染發(fā)展。而目前數(shù)碼產(chǎn)品市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)中伴隨著這樣的發(fā)展趨勢(shì)：產(chǎn)品功能多樣化、顯示屏幕大尺寸且彩屏化、機(jī)型更加輕薄小巧，但是實(shí)現(xiàn)這些特點(diǎn)都會(huì)加快電量的消耗，并須減小電池體積。為了滿(mǎn)足高端商務(wù)客戶(hù)和移動(dòng)人群對(duì)數(shù)碼電子產(chǎn)品的使用要求，移動(dòng)電源的地位將會(huì)更加突出。3.移動(dòng)電源基礎(chǔ)3.1移動(dòng)電源的定義移動(dòng)電源一種集儲(chǔ)電、供電和充電功能于一體的便攜電池充電器?？梢越o手機(jī)、平板電腦、相機(jī)等數(shù)碼設(shè)備隨時(shí)隨地充電或待機(jī)供電。有于技術(shù)不段發(fā)展，新的功能應(yīng)用也逐步增加，如LED照明。太陽(yáng)能電池技術(shù)的融合等一般由鋰電芯電池、太陽(yáng)能電池或者干電池作為儲(chǔ)電單元。區(qū)別于產(chǎn)品內(nèi)部配置的電池，移動(dòng)電源，也叫“外掛電池”、“外置電池”、“后備電池”、“數(shù)碼充電伴侶”、“充電棒”、“充電寶”，由于適應(yīng)多種產(chǎn)品所以一般配備多種電源充電轉(zhuǎn)接頭，通常具有大容量、多用途、體積小、壽命長(zhǎng)和安全可靠等特點(diǎn)，是可隨時(shí)隨地為手機(jī)、MP3、MP4、PDA、掌上電腦、掌上游戲機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品供電或待機(jī)充電的功能產(chǎn)品。3.2移動(dòng)電源的適用范圍隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，隨身攜帶式的電子產(chǎn)品也越來(lái)越多。3.2.1通用性如筆記本電腦、平板電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、便攜式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖設(shè)備、醫(yī)療保健設(shè)備等。3.2.2實(shí)用性它們都要用到電池，但這些設(shè)備的原配電池都會(huì)因?yàn)殡姵厝萘康投荒軡M(mǎn)足設(shè)備的正常使用時(shí)間。當(dāng)出差或旅游時(shí)又是這些設(shè)備的工作高峰期，經(jīng)常在關(guān)鍵時(shí)刻電池沒(méi)有電了，特別是在手機(jī)正在打電話(huà)時(shí)，數(shù)碼相機(jī)正在拍照時(shí)，PSP游戲機(jī)玩的正起勁時(shí)，PDA正在工作時(shí)等等，讓您感覺(jué)很無(wú)奈和無(wú)助。此時(shí)移動(dòng)電源能解決你的煩惱。3.2.3移動(dòng)性移動(dòng)電源的移動(dòng)性是指產(chǎn)品能在移動(dòng)狀態(tài)下（例如旅游，開(kāi)會(huì)，充電器不在身邊或不方便充電情況\o"查看圖片"下）發(fā)揮其功用，即在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間不受局限地給數(shù)碼產(chǎn)品供電或充電，真實(shí)地給人以踏實(shí)感，使生活和工作品質(zhì)得以提升。3.3移動(dòng)電源的技術(shù)移動(dòng)電源可以通過(guò)USB電纜線(xiàn)使用在任何符合USBOn-The-Go(USB-OTG)（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）的便攜型設(shè)備移動(dòng)電源一定要具備：短路、過(guò)充、過(guò)放、恒流、恒壓等保護(hù)措施，還應(yīng)有高性能電源管理技術(shù)不過(guò)對(duì)于使用電壓較高的相關(guān)數(shù)碼產(chǎn)品，比如手提之類(lèi)的，則需要配置輸出電壓較高的移動(dòng)電源，這個(gè)與移動(dòng)電源本身實(shí)際的容量成正比。3.4移動(dòng)電源工作原理儲(chǔ)電介質(zhì)一般采用鋰電電芯，因?yàn)殇囯婋娦倔w積相對(duì)小巧，容量大，市場(chǎng)流通廣，價(jià)格適中，被廣泛用于數(shù)碼產(chǎn)品。鋰電的電壓在2.7-4.2V之間，電壓隨著電量的下降而下降。而2.7-4.2V的電壓是不能直接給其它數(shù)碼產(chǎn)品充電的，因?yàn)閿?shù)碼產(chǎn)品的鋰電電壓也是2.7-4.2V,同電位的電壓之間是不能充電的。所以移動(dòng)電源向外輸出電能是必須要有升壓系統(tǒng)，把2.7-4.2V的鋰電電壓升壓到5V，這樣就可以給其它數(shù)碼產(chǎn)品充電了。當(dāng)然，移動(dòng)電源不是一次性設(shè)備，它可以反復(fù)使用數(shù)百次以上。所以當(dāng)移動(dòng)電源電能使用完后，我們必須給移動(dòng)電源充電。其原理和給手機(jī)充電一樣。連接到5V的USB電腦接口或USB充電器上即可給移動(dòng)電源充電。所以移動(dòng)電源內(nèi)部還必須有充電管理系統(tǒng)。充電管理系統(tǒng)能根據(jù)鋰電的電壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流。過(guò)程有：預(yù)充，恒壓充電和浮充充電等。3.5電源電芯常用的有聚合物鋰電、18650鋰電、AAA鎳氫電池。聚合物鋰離子電池：標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7V，形狀較多，可定制，具有容量大、性能穩(wěn)定、體積和形狀任意變化、一般為軟包形態(tài)。根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池兩大類(lèi)。聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，正極材料可分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料，負(fù)極為石墨，電池的工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同，液態(tài)鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來(lái)代替，這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)18650鋰電：直徑18mm長(zhǎng)度65mm圓柱型電池。標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7V，具有體積小，容量大的特點(diǎn)。AAA鎳氫電池：標(biāo)準(zhǔn)電壓1.2V。容量相對(duì)較小。應(yīng)該廣泛，家用電器，玩家的等，也就是常見(jiàn)的干電池。3.6升壓系統(tǒng)升壓主流技術(shù)基本采用DC-DC的升壓方式。國(guó)內(nèi)技術(shù)轉(zhuǎn)換效率普遍低，一般在50-70%，臺(tái)灣的在75-80%，美國(guó)的相對(duì)會(huì)高些86-95％。也有降壓方案的，效率比較高，但對(duì)電芯的一致性要求高，所以目前幾乎不輕易采用。只有在帶有9V-12V輸出移動(dòng)電源上，但對(duì)技術(shù)要求很高。3.7充電管理系統(tǒng)移動(dòng)電源電池?zé)o電時(shí)也需要充電，為了體現(xiàn)移動(dòng)電源的通用性充電一般設(shè)定為5V目前國(guó)內(nèi)充電管理系統(tǒng)比較成熟，電芯電壓從2.7V到4.2V，都會(huì)由智能IC監(jiān)控整個(gè)充電過(guò)程。充電管理IC充電管理失效，會(huì)造成移動(dòng)電源電池永久損壞，或燃燒甚至爆炸。目前低廉的移動(dòng)電源多辦未使用智能充電保護(hù)IC[7]。3.8移動(dòng)電源的基本構(gòu)成移動(dòng)電源采用聚合物電池作為中心元件，首先給聚合物電池充電，因?yàn)殡姵爻杀颈容^高，而且為了提高系統(tǒng)的安全性要有一個(gè)充電管理系統(tǒng)。當(dāng)需要給便攜式設(shè)備充電時(shí)，聚合物電池放電，因?yàn)楸銛y式設(shè)備普遍輸入電壓為5V，所以有一個(gè)升壓系統(tǒng)[8]。移動(dòng)電源的基本構(gòu)成如圖所示：圖1移動(dòng)電源基本構(gòu)成4移動(dòng)開(kāi)關(guān)電源硬件設(shè)計(jì)方案4.1移動(dòng)電源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)本文論述的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)由四部分組成：充電管理電路、鋰芯容量指示電路、DC-DC升壓電路和鋰芯保護(hù)電路。如圖2：容量指示電路容量指示電路移動(dòng)電源充電管理電路DC-DC升壓電路鋰電池保護(hù)電路圖2硬件設(shè)計(jì)方案4.2硬件設(shè)計(jì)框圖硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示：圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖該設(shè)計(jì)首先是將聚合物電芯進(jìn)行儲(chǔ)能，此設(shè)計(jì)可以用大家常用的手機(jī)充電適配器進(jìn)行5V電壓充電，這時(shí)候就需要設(shè)計(jì)一個(gè)充電電路，充電過(guò)程中會(huì)有電池容量指示燈顯示以提示用戶(hù)聚合物電芯是否充滿(mǎn)電，下面就是DC/DC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)品使用的過(guò)程就是將聚合物電芯2.7-4.2V電壓進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換成為所需要的5V手機(jī)充電電壓，將儲(chǔ)能電池的“粗電”轉(zhuǎn)化為“細(xì)電”以提高手機(jī)電池使用壽命和充電效率。在使用的過(guò)程中大家只需要用USB線(xiàn)連接移動(dòng)開(kāi)關(guān)電源的輸出端，另一端連接5V充電電壓的用電設(shè)備撥動(dòng)輸出開(kāi)關(guān)就可以進(jìn)行便攜式設(shè)備的充電了，充電過(guò)程主要有四種基本充電模式：涓流充電、恒流充電、恒壓充電和充電完成與再充電。這樣主要是為了能有效保護(hù)便攜式設(shè)備的電池和使其達(dá)到最大儲(chǔ)能。同時(shí)在電路中加有電量顯示LED燈，用戶(hù)可以在使用過(guò)程中隨時(shí)檢查電量。在電流充電過(guò)程中肯定要有過(guò)流過(guò)載和短路保護(hù)。4.3鋰電池充電電路當(dāng)鋰電池放點(diǎn)到3.1V以下時(shí)需要對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，本次設(shè)計(jì)方案中采用的是圖4mini-usb輸入5V，mini-usb接口與目前市面上的絕大多數(shù)手機(jī)的充電接口通用，具有廣泛的使用性，解決了充放電一條線(xiàn)的問(wèn)題。對(duì)鋰電池充電采用的是1A線(xiàn)性鋰離子電池充電器SLM6150。SLM6150是一款單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線(xiàn)性充電器。由于采用了內(nèi)部PMOSFET架構(gòu)，加上反倒沖電路所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對(duì)充電電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以便在大功率操作或者高溫條件下對(duì)芯片溫度進(jìn)行限制。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過(guò)一個(gè)電阻進(jìn)行設(shè)定當(dāng)充電電流達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時(shí)，SLM6150將自動(dòng)停止充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓被拿掉時(shí)SLM6150自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)低電流狀態(tài)將電池漏電流降至2uA以下。SLM6150在有電源時(shí)也可以置于停機(jī)模式，以而將供電電流降至55uA。SLM6150的其他特點(diǎn)包括電池溫度檢測(cè)、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和2個(gè)用于指示充電和結(jié)束的LED狀態(tài)引腳。電路如下：圖4充電輸入電路圖5聚合物電池充電電路4.3.1SLM6150電路工作過(guò)程在待機(jī)模式中，SLM6150對(duì)BAT引腳電壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。如果該引腳電壓降至4.05V的再充電門(mén)限（Vrechrg）以下，則另一個(gè)充電循環(huán)開(kāi)始并在此向電池提供充電電流。SLM6150[9]在整個(gè)電池充電過(guò)程中有四種基木充電模式:涓流充電、恒流充電、恒壓充電和充電完成與再充電。涓流充電:充電開(kāi)始前，SLM6150先檢查輸入電源，當(dāng)輸入電源大于最小工作電壓或欠壓鎖定閾值，并且芯片使能端接高電平時(shí)，SLM6150開(kāi)始對(duì)一電池充電。SLM6150先檢查電池的狀態(tài)。如果電池電壓高于3V，充電器則進(jìn)入恒流充電;而如果電池電壓低于3V時(shí)，充電器則進(jìn)入涓流充電模式。涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一(還是以恒定充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA),涓流充電狀態(tài)一直保持延續(xù)到SLM6150芯片探測(cè)到電池電壓達(dá)到3V后結(jié)束，之后進(jìn)入恒流充電階段。恒流充電:恒流充電模式中，充電電流由PRDO腳與GND間的電阻RPROG確定。SLM6150進(jìn)入恒流充電模式中后，將一直按設(shè)定的電流值保持充電，直到電池慢慢到達(dá)電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)4.2V,轉(zhuǎn)而進(jìn)入恒壓充電。恒壓充電:在電池電壓慢慢接近4.2V時(shí)，充電器就漸漸轉(zhuǎn)為恒壓充電。此時(shí)原先的恒流充電電流也慢慢減小，并隨著電池容量越來(lái)越接近最大容量而急劇下降。充電完成與再充電:當(dāng)充電電流被探測(cè)到減小至恒流充電電流的10%后，充電器終止向電池充電，進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，SLM6150會(huì)繼續(xù)檢測(cè)電池端的電壓，如果電池電壓降到4.05V以下，則充電器將再次向電池充電?？删幊痰某潆婋娏?SLM6150的充電電流由連接在PRDO腳與GND之間RPROG電阻來(lái)確定，計(jì)算公式如下:1BAT=(VPROG/RPROG)·10003-1因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)中為了降低內(nèi)部MOSFET兩端的電壓以顯著減少I(mǎi)C中的功耗。在熱調(diào)節(jié)期間，這具有增加輸送至電池電流的作用，通過(guò)一個(gè)電阻將一部分功耗消耗掉，從而將恒流充電滿(mǎn)幅電流設(shè)置在了800mA。4.3.2芯片熱保護(hù)功能利用晶體管PN結(jié)的導(dǎo)通電壓隨溫度升高而降低，而其變化值隨溫度的升高而增加的特性，SLM6150設(shè)計(jì)了集成于芯片內(nèi)部的過(guò)熱保護(hù)功能。當(dāng)內(nèi)部溫度傳感器升至約125℃以上時(shí)，內(nèi)部的熱保護(hù)電路將自動(dòng)減小充電電流的電流值，隨著溫度的不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到145℃的時(shí)候，則可完全關(guān)閉充電電流。該功能可以讓用戶(hù)放心使用最大功率的充電電流而無(wú)需擔(dān)心芯片被損壞。4.4DC-DC升壓電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中是采用脈沖幅度變調(diào)方式(PWM)的DC-DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗哂械拖碾娏鞯奶攸c(diǎn)。以往采用PFM方式的DC-DC轉(zhuǎn)換器，在輸出負(fù)載電流低時(shí)脈沖被跳過(guò)，因此輸出電壓的紋波頻率會(huì)產(chǎn)生變化，存在著使紋波電壓増大的缺點(diǎn)[10][11]。FP6291是電流模式的升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。內(nèi)置0.2Ω功率MOSFET的PWM電路，使該穩(wěn)壓器高節(jié)能。內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)也最大限度地減少了多達(dá)6個(gè)外部元件數(shù)量。誤差放大器的非反相輸入端連接到一個(gè)0.6V的精確的參考電壓，內(nèi)部軟啟動(dòng)功能，可以減少浪涌電流?？梢酝ㄟ^(guò)編程設(shè)定最大開(kāi)關(guān)電流。電路圖如下：圖6FP6291升壓電路4.4.1外圍器件的選擇電感器的選擇電路圖中電感值的選取需要根據(jù)不同的狀況，一般的應(yīng)用電路電感的取值在3.3uH-4.7uH比較合適。電感的選取有三種重要的規(guī)格：直流阻抗，飽和電流，內(nèi)核損耗。較低的直流阻抗可以有較好的電源效率，而且可以避免電感電流飽和導(dǎo)致電路系統(tǒng)不穩(wěn)定，還可以保證在1M頻率時(shí)有較低的內(nèi)核損耗。所以本設(shè)計(jì)中采用的電感值為4.7uH。電容器的選擇輸入端電容器可以降低電源阻抗，另外可使輸入電流平均化而提高效率。輸出端電容器是為了使輸出電壓變得平滑而使用的，升壓型的產(chǎn)品因?yàn)獒槍?duì)負(fù)載電流而斷續(xù)地流入電流，與降壓型產(chǎn)品相比需要更大的電容值。在輸出電壓較高以及負(fù)載電流較大的情況下，紋波電壓會(huì)變大。所以低等效阻抗的電容能有效減少輸出紋波，為了有較低的等效阻抗和較寬的工作溫度，選擇瓷片電容的電介質(zhì)數(shù)在X5R-X7R之間。二極管的選擇具有快速恢復(fù)和低寄生電壓的肖特基二極管是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，能確保二極管平均電流和峰值電流超過(guò)電感輸出平均電流和峰值電流；此外,二極管的反向擊穿電壓必須高于輸出電壓。本設(shè)計(jì)中選擇了SK34二極管，SK34具有低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時(shí)間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流卻可達(dá)到幾千安培，非常適合移動(dòng)電源大電流的輸出。編程輸出電壓輸出電壓的設(shè)定是通過(guò)一個(gè)電阻分壓器輸出到芯片的反饋口（FB）；輸出電壓為：Vout=0.6(1+R1/R2)。本設(shè)計(jì)中R1的取值為200K，R2為25.5K，從而得到DC-DC升壓后的電壓為5.3V，實(shí)際測(cè)得升壓輸出的電壓值為5.37V。4.5聚合物電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)流、短路、缺相等保護(hù)電路。進(jìn)線(xiàn)電源過(guò)壓及欠壓對(duì)開(kāi)關(guān)電源造成的危害，主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓及電流應(yīng)力超出正常使用的范圍而損壞，同時(shí)因電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿(mǎn)足要求。因此對(duì)輸入電源的上限和下限要有所限制，為此采用過(guò)壓、欠壓保護(hù)以提高電源的可靠性和安全性[12][13][14]。因此保護(hù)電路是必須的，該電路主要由鋰電池保護(hù)專(zhuān)用集成電路DW01充、放電控制8205A-6（內(nèi)含兩只P溝道MOSFET）等部分組成。在充電過(guò)程中，當(dāng)單體電池的電壓超過(guò)4.35V時(shí)，專(zhuān)用集成電路DW01的CO腳輸出信號(hào)使充電控制MOSFET關(guān)斷，鋰電池立即停止充電，從而防止鋰電池因過(guò)充電而損壞。放電過(guò)程中，當(dāng)單體電池的電壓降到2.30V時(shí)，DW01的DO腳輸出信號(hào)使放電控制MOSFET關(guān)斷，鋰電池立即停止放電，從而防止鋰電池因過(guò)放電而損壞，DW01的CSI腳為電流檢測(cè)腳，輸出短路時(shí)，充放電控制MOSFET的導(dǎo)通壓降劇增CSI腳電壓迅速升高，DW01輸出信號(hào)使充放電控制MOSFET迅速關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)電流或短路保護(hù)[11]。本設(shè)計(jì)電路圖如下：圖8鋰電保護(hù)電路4.6充電電流采樣電路如果在給數(shù)碼產(chǎn)品充電的時(shí)候電流過(guò)大會(huì)對(duì)手機(jī)造成損傷，因此在給手機(jī)充電的時(shí)候，需要對(duì)手機(jī)充電電流進(jìn)行采樣，如果給手機(jī)充電時(shí)電流持續(xù)一秒大于1.2A，MCU就會(huì)關(guān)掉升壓IC，停止對(duì)手機(jī)充電，采樣電路如下：圖9電流采樣電路4.7單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)4.7.1單片機(jī)AT8PC71A-06簡(jiǎn)介AT8PC71A是一顆8位可嵌入式微處理器:1.5K*14位的OTP程序內(nèi)存，六級(jí)堆棧緩存器，64*8位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，外部時(shí)鐘（FOSC）及內(nèi)部1T/2T/4T/8T/16T時(shí)鐘模式，單片機(jī)可切換至外部時(shí)鐘/內(nèi)部低頻32KHZ時(shí)鐘，PTM0、PTM1、PTM2、PTM3共4個(gè)12位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，看門(mén)狗定時(shí)。系統(tǒng)時(shí)鐘分為內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器,可選外部晶振或者內(nèi)部時(shí)鐘，內(nèi)部振蕩器：內(nèi)部RC+/_2%16MHZ振蕩器，休眠模式（suspend）下內(nèi)部RC振蕩器32KHZ。外部振蕩器：晶體振蕩器（Qscillator/Crystal）操作頻率范圍在32K--16MHZ，RC振蕩器最高10MHZ。10+2輸入輸出口：每個(gè)GPIO具有較高的電流驅(qū)動(dòng)能力（20mA的出力和入力電流），每個(gè)GPIO支持高阻輸入，內(nèi)置上拉，開(kāi)源漏極輸出或CMOS輸出，所有輸入輸出口提供外部中斷。5+1通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器：可選擇連續(xù)模式或觸發(fā)模式取得模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，支持5個(gè)外部仿真輸入通道及一個(gè)內(nèi)部VDD/4仿真輸入通道（ADC），內(nèi)建模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電壓（VRFEH=VDD,4V,2V,3V），+/_0.3%VREFH在常溫下，支持一個(gè)數(shù)模輸出通道（DAC）。電源管理：上電復(fù)位1.8V(PRO),單片機(jī)可工作在大于2V電壓，三級(jí)低電壓監(jiān)測(cè)（LVDH-3.6V、LVDM-2.4V、LVDL-2.0V）。PWM功能：支持4個(gè)脈寬調(diào)制通道（12bitsPWM）。輸入輸出口電壓范圍：1.8V-5V。大部分指令只需要一個(gè)時(shí)鐘周期，少數(shù)需要2個(gè)或者半個(gè)時(shí)鐘周期。4.7.2單片機(jī)引腳圖及功能引腳圖如下：圖10單片機(jī)引腳圖引腳功能：4.7.3單片機(jī)控制電路單片機(jī)控制電路如圖11：圖11單片機(jī)控制電路單片機(jī)采用鋰電池供電，利用單片機(jī)內(nèi)部ADC對(duì)鋰電池電量的1/4進(jìn)行采集，并用LED指示燈顯示，按鍵也可顯示鋰電池的電量。電量顯示控制電路如下：圖12電池電量顯示控制電路LED1、LED2、LED3、LED4的發(fā)光狀態(tài)以提示電量，工作狀態(tài)如下表：工作模式電池電壓LED1LED2LED3LED4按鍵顯示電量4.15V以上4-4.15V3.8-3.99V3.6-3.79V3.3-3.593.1-3.29V3.1V以下亮亮亮亮亮閃爍閃爍亮亮亮亮滅滅滅亮亮亮滅滅滅滅亮亮滅滅滅滅滅放電狀態(tài)4.15V以上4-4.15V3.8-3.99V3.6-3.79V3.3-3.59V3.1-3.29V3.1V以下LED跑馬顯示LED跑馬顯示LED全滅充電模式4.15V以上4-4.15V3.8-3.99V3.6-3.79V3.3-3.59V3.1-3.29V3.1V以下亮亮亮亮跑馬跑馬跑馬亮亮亮跑馬跑馬跑馬跑馬亮亮跑馬跑馬跑馬跑馬跑馬亮閃爍跑馬跑馬跑馬跑馬跑馬而在特殊狀態(tài)下:溫度過(guò)高，負(fù)載過(guò)流時(shí)，LED1，LED2，LED3，LED4同時(shí)閃爍，放電狀態(tài)下電池電壓低于3.1V時(shí)關(guān)閉升壓模塊。4.7.4照明電路為了實(shí)現(xiàn)在夜能夠照明，本設(shè)計(jì)特意設(shè)計(jì)了一個(gè)高亮LED電路，通過(guò)單片機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)照明和閃爍。由于使用的是高亮LED，單片機(jī)的GPIO的驅(qū)動(dòng)能力不夠，所以選擇了NPN三極管S8050來(lái)放大電流。當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測(cè)到按鍵長(zhǎng)按2s時(shí)，單片機(jī)會(huì)使LED5置為高電平，從而點(diǎn)亮照明燈。電路圖如13所示：圖13照明電路4.7.5插入檢測(cè)電路為了使設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)碼產(chǎn)品充電更為智能，本次手機(jī)手機(jī)中特意設(shè)計(jì)了手機(jī)插入自動(dòng)檢測(cè)電路.當(dāng)手機(jī)尚未插入的時(shí)候，三極管Q1--3906處于截止?fàn)顟B(tài)，LOAD_IN接到單片機(jī)PB[2]模擬輸入口2，為低電平，單片機(jī)不動(dòng)作；而當(dāng)手機(jī)插入時(shí)，三極管導(dǎo)通，LOAD_IN被置為高電平，單片機(jī)檢測(cè)到電平的變化，給EN_1A置為高電平，三極管Q4-S8050導(dǎo)通，F(xiàn)P6291升壓到5.3V，AQ3401導(dǎo)通，流過(guò)1A的大電流給手機(jī)充電。電路圖如下：圖14插入檢測(cè)電路4.7.6手機(jī)充電接口由于有的手機(jī)需要采用特定的一些支持電路，才能進(jìn)行充電，比如說(shuō)蘋(píng)果，諾基亞之類(lèi)的手機(jī)，電路圖如下：圖15手機(jī)充電接口5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案5.1程序設(shè)計(jì)步驟在系統(tǒng)硬件已經(jīng)確定的情況下，程序設(shè)計(jì)一般為:①分析問(wèn)題：熟悉和明確問(wèn)題的要求、已知條件及對(duì)運(yùn)算控制的要求，準(zhǔn)確地規(guī)定程序?qū)⒁瓿傻娜蝿?wù)。②確定算法：根據(jù)設(shè)計(jì)問(wèn)題的要求和指令系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇解決問(wèn)題的方法。③設(shè)計(jì)程序流程圖：直觀(guān)、清晰地體現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)思想。④分配內(nèi)存單元：確定程序和數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址。⑤編寫(xiě)源程序：根據(jù)流程圖和指令系統(tǒng)編寫(xiě)源程序。⑥調(diào)試源程序：先將源程序通過(guò)匯編生成目標(biāo)文件，并消除語(yǔ)法錯(cuò)誤，然后在仿真器上調(diào)試，達(dá)到預(yù)定要求。5.2程序設(shè)計(jì)流程圖本系統(tǒng)以AT8PC71A單片機(jī)為控制核心，對(duì)鋰電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，單片機(jī)將采樣的電壓進(jìn)行處理后通過(guò)4個(gè)LED燈顯示出來(lái)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖所示：圖14程序流程圖5.3單片機(jī)軟件控制工作說(shuō)明5.3.1空載模式短按按鍵喚醒開(kāi)機(jī)，電量顯示指示燈按電池比列亮，10S后關(guān)閉顯示，60S后自動(dòng)關(guān)機(jī)。鍵按下立即喚醒系統(tǒng)，電量指示燈按電量比列顯示，鍵按住2S后電筒燈亮，抬鍵后在短按電筒燈按照500ms/500ms做開(kāi)關(guān)閃爍，短按可以在閃爍和不閃之間切換，在閃和不閃的狀態(tài)長(zhǎng)按2S關(guān)閉電筒功能（此功能在任何工作模式下都有效，其它模式不再說(shuō)明）。短按開(kāi)機(jī)后，在長(zhǎng)按2S也可以打開(kāi)手電筒。10S無(wú)動(dòng)作，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。5.3.2帶載模式當(dāng)插入負(fù)載時(shí)自動(dòng)打開(kāi)喚醒系統(tǒng)，當(dāng)電池電壓小于3.0V時(shí)led1按照250ms/250ms快閃10s關(guān)機(jī)。如果電池電壓小于3.1v，led1按照250ms/250ms快閃10s滅燈，如果小于3.1v則啟動(dòng)放電并按電量顯示led,10s后全滅。當(dāng)電池電壓小于3.0v，led1快閃10s后移動(dòng)電源將自動(dòng)關(guān)掉電并關(guān)機(jī)。當(dāng)移動(dòng)電源給負(fù)載充滿(mǎn)電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止充電，顯示一下余電10S后全滅，在關(guān)掉升壓時(shí)能，并進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)拔除負(fù)載移動(dòng)電源依然處于休眠狀態(tài)；當(dāng)負(fù)載未充滿(mǎn)電狀態(tài)下拔除，LED按電量顯示10s后，關(guān)掉 升壓使能，進(jìn)入休眠，如果10s內(nèi)重新插入負(fù)載，通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流（原理圖上C_1A_OUT信號(hào)）重新進(jìn)入跑馬led，對(duì)負(fù)載進(jìn)行充電。在放電過(guò)程中短按按鍵，led燈按電量點(diǎn)亮，10s后全熄滅，當(dāng)電壓小于3.1v時(shí)，led1按照250ms/250ms快閃10s后關(guān)機(jī)。 5.3.3充電模式插入充電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)喚醒，充滿(mǎn)電后四個(gè)led燈全滅，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，功耗控制在50uA內(nèi)。拔掉充電器移動(dòng)電源處于待機(jī)狀態(tài)，led按電量顯示，10s后自動(dòng)熄滅，系統(tǒng)進(jìn)入休眠。防止因插入充電后電池電壓升高而 導(dǎo)致電量指示燈不準(zhǔn)的問(wèn)題。充電過(guò)程中如果充電電流持續(xù)1s大于1.2A就關(guān)掉升壓ic，四個(gè)led燈同時(shí)亮滅，按500ms/500ms的頻率閃爍，10s后滅燈關(guān)機(jī)。 6.總結(jié)在一開(kāi)始和指導(dǎo)老師研討定下這個(gè)論文題目的時(shí)候我覺(jué)得這不是很難，但從這段時(shí)間看的參考文獻(xiàn)和理的思路來(lái)看，原來(lái)還真不是這么簡(jiǎn)單，從一開(kāi)始的茫然到理出頭緒確實(shí)是一段艱苦的過(guò)程。在此非常感謝彭老師的悉心教導(dǎo)和指點(diǎn)以及舍友的幫助。在設(shè)計(jì)中首先要有一個(gè)基本的電路框架然后再考慮實(shí)際應(yīng)用中須考慮的問(wèn)題加以完善，此電路能夠作為一個(gè)便攜式移動(dòng)電源來(lái)工作，只要是5V電源供電，電流在1A以下基本上都可以進(jìn)行充電，但是到目前的階段仍有可研究之處來(lái)完善它，問(wèn)題如下：1、有的設(shè)備不僅僅需要正負(fù)端輸入，在輸出端口數(shù)據(jù)線(xiàn)a、b也有起始電壓。2、該電路能為電流≤1A的設(shè)備充電，大于此電流會(huì)進(jìn)行保護(hù)，為了不影響電路的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)大電流輸出可以設(shè)計(jì)兩端輸出，一個(gè)大電流，一個(gè)小電流。3、此電路可以增加一些擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)它的多功能應(yīng)用，例如：驗(yàn)鈔。4、為了增大其放電時(shí)間可以設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)板，這樣也不用擔(dān)心鋰電池沒(méi)電。目前我認(rèn)為可研究的問(wèn)題如上，我想在今后的發(fā)展中還有其他可研究的問(wèn)題來(lái)提高其使用率和功能。7.參考文獻(xiàn)[1]陳盧,石秉學(xué),代鐵軍.高效率高精度開(kāi)關(guān)電源脈寬調(diào)制芯片的實(shí)現(xiàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999.[2]電源管理IC如影隨形——各大芯片廠(chǎng)商戮力而為[J].電子測(cè)試,2006(03).[3]劉賢興.新型智能開(kāi)關(guān)電源技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:125-133.[4]馬文健.手持移動(dòng)終端充電方案[J].北京郵電大學(xué),2006(08