【移動電源設(shè)計與實現(xiàn)7000字（論文）】

引言1.1研究背景移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，各類移動手持設(shè)備的大量涌現(xiàn)，以智能手機為代表的數(shù)碼通訊產(chǎn)品性能不斷提高，屏幕越來越大，但產(chǎn)品本身可容納的電池體積越來越小，直接導(dǎo)致便攜數(shù)碼產(chǎn)品自帶電池能量無法滿足日常使用需要。于是，移動電源應(yīng)運而生，移動電源可作為數(shù)碼產(chǎn)品的充電電源或外拉電源使用，即可對數(shù)碼產(chǎn)品進行多次充電、也可對數(shù)碼產(chǎn)品進行長時間連續(xù)供電，可解決數(shù)碼產(chǎn)品在戶外條件下無法充電和不能長時間工作的問題，因此移動電源獲得了越來越多用戶的青睞。本課題的研究就是基于這樣的市場背景下，使用最小成本，最快的速度設(shè)計出一款即安全又價廉物美的移動電源?；谝淮伪Ｗo回路基礎(chǔ)上，增加過溫保護和一次保護失效的過流保護，從而有效地解決了鋰離子熱失控引發(fā)的安全問題。1.2主要工作內(nèi)容本課題的主要工作內(nèi)容是構(gòu)建基于PTC&NTC組件為核心，用在保護電路中作為安全保護的控制器，實現(xiàn)具有多重安全保護的移動電源設(shè)計。主要工作可劃分為系統(tǒng)硬件設(shè)計和功能測試兩大部分。（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計主要工作：1、根據(jù)系統(tǒng)框圖，移動電源的主要組成部分規(guī)劃2、主要構(gòu)成組件的選型4、基于PTC&NTC系統(tǒng)硬件設(shè)計并制作保護電路板和系統(tǒng)整機（2）功能測試的主要工作：1、電路單項功能測試2、測試軟件應(yīng)用和測試設(shè)備的架設(shè)（3）本課題的創(chuàng)新點如下：1、構(gòu)建了基于PTC的二次保護電路，當(dāng)一次保護失效時，直接切斷回路的異常大電流通過，從而有效保護系統(tǒng)。2、引入溫度傳感器NTC技術(shù)，結(jié)合USB充電管理回路，管控在充電過程中鋰電池溫度持續(xù)上升的充電中斷，避免鋰離子的熱失控。1.3充電電路工作原理當(dāng)輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值并且芯片能使輸入端接高電平時，充電電路開始對電池充電，CHRG管腳輸出低電平，紅色指示燈亮，表示充電正在進行。圖1.1充電電路工作原理如果電池電壓低于3V，充電電路用小電流對電池進行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓超過3V時，充電電路采用恒流模式對電池充電，充電電流由PROG管腳和GND之間的電阻確定。當(dāng)電池電壓接近4.2V時，充電電流逐漸減小，充電電路自動進入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閉值時，充電周期結(jié)束，CHRG引腳輸出高阻態(tài)，STEBY引腳輸出低電位，此時紅色指示燈滅，綠色指示燈亮，表示充電過程結(jié)束。2系統(tǒng)方案設(shè)計2.1系統(tǒng)方案組成為了設(shè)計出一款投入低成本、性價比高而且更安全可靠的移動電源，按照本課題的研究目標(biāo)，本系統(tǒng)的設(shè)計思想是在一次保護基礎(chǔ)上，構(gòu)建過溫保護和一次保護失效的過流保護，從而有效地解決了鋰離子熱失控引發(fā)的安全問題。因此本文設(shè)計的移動電源系統(tǒng)方案的主要組成部分：充電管理回路、鋰電池保護回路、電量顯示回路、DC-DC升壓回路以及USB充電控制回路。2.2系統(tǒng)硬件方案選定2.2.1鋰電池組件鋰電池是移動電源的核心，也就是電池，負責(zé)為整個移動電源提供源源不斷的動力。鋰離子電池材料的熱穩(wěn)定性是鋰離子電池安全的重要影響因素。18650鋰電是索尼公司為節(jié)約成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)電池型號，其相對鎳氫電池，具有容量大、儲能效率高、穩(wěn)定性好、沒有記憶效應(yīng)等特點，同時制造工藝簡單，生產(chǎn)技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。目前市場上技術(shù)成熟為日系（松下、三洋、索尼）和韓系（LG、SDI）電池，綜合性價比，本案選用LGICR18650B42600mAh電池。2.2.2充電管理芯片EUTECH公司EUP8092系列是高度集成的單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電器IC專為手持設(shè)備。本充電器設(shè)計各類AC適配器或USB端口，可在輸入電壓低至2.65V工作電壓。該EUP8092用作線性充電器和充電電池分為三個階段：涓電流、恒流、恒壓。當(dāng)交流適配器連接，一個外部電阻設(shè)置充電電流，其可以被編程為1.5A與TDFN10封閉和一個電流限制適配器為最低功耗的大小。EUP8092具有溫度調(diào)節(jié)回路控制充電電流以保持安全運行，當(dāng)PCB缺乏足夠散熱的設(shè)計?？删幊坛潆姸〞r器為終端提供了安全性。如果電池電壓低于內(nèi)部閾值，EUP8092自動重新開始充電，當(dāng)電源斷開自動進入睡眠模式。進行充電時，無需外部檢測電阻或隔離二極管。NTC熱敏電阻接口用于電池充電在安全的溫度范圍內(nèi)。2.2.3鋰電池保護芯片鋰電池選用LGICR18650B4，關(guān)鍵參數(shù)：充電電壓4.2±0.05V，放電截止電壓2.75V,工作溫度：充電0~45℃/放電-20~60℃。故本文選用的保護控制IC為Mitsumi制造的MM3511，保護電壓偵測點精度相比其它IC要高。除了控制IC外，保護電路中還有一個重要組件，就是MOSFET，它在電路中起著開關(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負載之間，因此它的導(dǎo)通阻抗對電池的性能有影響，當(dāng)選用的MOSFET較好時，其導(dǎo)通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強，在放電時其消耗的電能也少。開關(guān)部件（FET）為配合保護IC工作而設(shè)置的，一般有兩個MOS管組成，一個為充電控制MOS，另一個為放電控制MOS。在保護電路中，受保護IC控制。2.2.4升壓管理芯片遠翔科技FP6290H是電流模式提高直流-直流轉(zhuǎn)換器。PWM電路內(nèi)置0.15powerMOSFET使得這個轉(zhuǎn)換器高功率效率。可選擇的高開關(guān)頻率允許更快的循環(huán)反應(yīng)和簡單的過濾與低噪聲輸出。非反相輸入的誤差放大器連接到一個內(nèi)部參考電壓1.24V精度。2.2.5電量管理芯片UTC公司LM324系列是低成本的四路運算放大器，具有真正的差分輸入。在單電源應(yīng)用中，它們與標(biāo)準(zhǔn)運算放大器類型相比具有幾個明顯的優(yōu)勢。該四路放大器可以工作于低至3.0V或高達32V的電源電壓，靜態(tài)電流是MC1741的五分之一左右（每個放大器）。共模輸入范圍包括負電源，因此在眾多應(yīng)用中無需外部偏置元組件。輸出電壓范圍也包括負電源電壓。可直接操作的LM324系列，這是用來在數(shù)字系統(tǒng)中，輕松地將提供所需的接口電路，而無需額外的±15V電源，標(biāo)準(zhǔn)的5V電源電壓。2.2.6電量顯示組件用四個發(fā)光LED二極管顯示。當(dāng)電量為75%以上時，四個LED全亮；當(dāng)電量為50%～75%，其中有3個LED亮；當(dāng)電量為25%～50%，其中2個LED亮；當(dāng)電量為5%～25%，其中1個LED亮；當(dāng)電量為5%以下時，4個LED全滅。2.2.7USB充電芯片F(xiàn)75198是USB專用充電器識別電路最智能的，它可以識別的市場上主流手持設(shè)備。它允許設(shè)備消耗的電流盡可能使用原裝適配器。它支持大部分的USB電池充電規(guī)范（全球范圍內(nèi)），包括BC1.2，蘋果電腦公司的充電規(guī)格（用于IPAD＆Iphone）和規(guī)格的三星GalaxyTab。通過設(shè)置在USB數(shù)據(jù)引腳（D+/D-）到所需的電壓電平，則該充電裝置將識別的電壓電平，并開始調(diào)整電流充電。3、直流穩(wěn)壓電源的簡介3.1穩(wěn)壓源的定義能為負載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子裝置。穩(wěn)壓電源的分類方法繁多，按輸出電源的類型分有直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源。3.2直流穩(wěn)壓電源的原理在電子電路和電氣設(shè)備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電，直流穩(wěn)壓電源的原理是一種將220v的交流電通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓一系列裝置轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓，其中，變壓器的選擇是使用降壓變壓器，它將電網(wǎng)220v交流電壓變成我們想要的交流電壓，并且將變換出來的電壓送給整流電路，變壓器的變比將由它的副邊電壓來確定[[]顏偉.可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計[J].信息通信.2015(06)][]顏偉.可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計[J].信息通信.2015(06)3.3直流穩(wěn)壓電源的基本組成能夠把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槠交末p穩(wěn)定的直流電的裝置叫直流穩(wěn)壓電源。它主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四部分組成，如圖3.1所示。圖3.1直流穩(wěn)壓源的組成其中：電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。整流電路的作用是將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，濾波電路的作用是使脈動的直流電壓變得更加平滑，穩(wěn)壓電源的作用是使負載電路電流或在電網(wǎng)電壓波動變化時保持輸出電壓基本不變。3.4直流穩(wěn)壓電源的分類直流穩(wěn)壓電源的種類很多，從不同角度上分析可分為以下的幾類。1、按作用器件分，有可控硅穩(wěn)壓器、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓器、電子管穩(wěn)壓器、晶體管穩(wěn)壓器等；2、按電路的主要部分是分立元件還是集成電路分，有分立元器件、集成線性穩(wěn)壓器和集成開關(guān)穩(wěn)壓器組成的穩(wěn)壓器。3、按調(diào)整器件的工作狀態(tài)分，可分為兩類開關(guān)穩(wěn)壓和線性穩(wěn)壓，調(diào)整器件的工作狀態(tài)是開關(guān)狀態(tài)時稱為串聯(lián)式穩(wěn)壓器。4、按照穩(wěn)定方式分，可以分為反饋調(diào)整型整型穩(wěn)壓器和有參數(shù)型穩(wěn)壓器。而參數(shù)型穩(wěn)壓器電路比較簡單，它的運用主要是通過電子組件的非線性實現(xiàn)。5，按照調(diào)負載鏈接方式和調(diào)整元件分，可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式穩(wěn)壓器，負載和調(diào)整元件串聯(lián)的稱為串聯(lián)式穩(wěn)壓器，相反的負載與調(diào)整元件并聯(lián)的成為并聯(lián)式穩(wěn)壓器。4直流穩(wěn)壓電源的詳細設(shè)計4.1電源變壓器圖4.1電源變壓器電源變壓器的作用是將交流電網(wǎng)220V的交流電壓變換為所需的交流電壓。變壓器的副邊與原邊的功率比定義為變壓器的效率。一般地，電網(wǎng)供給有效值為220V的交流電[[]望超,余良俊,劉美中.直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置設(shè)計[J].現(xiàn)代物業(yè)(上旬刊).2013(12)][]望超,余良俊,劉美中.直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置設(shè)計[J].現(xiàn)代物業(yè)(上旬刊).2013(12)變壓器計算公式：假設(shè)變壓器處于理想狀態(tài)，即不計初，次級線圈的電阻損耗，當(dāng)其間耦合系數(shù)為1時，令：且初級次級線圈纏繞的鐵芯中磁通量為φ，蓋磁通量稱為主磁通。則變壓器的電動勢平衡方程為：（4.1）（4.2）若初級次級線圈內(nèi)的電壓電動勢的瞬時值都按照正弦規(guī)律（一般交流電都按賬號正弦規(guī)律變化），則由于理想狀態(tài)不計鐵芯損失，有能量守恒定律得：（4.3）令(稱為匝數(shù)比)則（4.4）上式表明,變壓器在改變電壓的同時，電流也隨之成反比例地變化，且一次、二次電流之比等于匝數(shù)之反比，即變壓器具有變流功能。4.2整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變?yōu)橹绷麟?，完成這一任務(wù)主要靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫虼硕O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件[[]劉鐵,王曉曼,喬彬,葉放.集成運算放大器應(yīng)用中的相位補償及帶寬匹配[J].科技資訊.2014(02)][]劉鐵,王曉曼,喬彬,葉放.集成運算放大器應(yīng)用中的相位補償及帶寬匹配[J].科技資訊.2014(02)圖4.2單相橋式整流電路在橋式整流電路中，二極管D1，D3和D2，D4是兩兩輪流導(dǎo)通的，所以流經(jīng)每個二極管的平均電流為:（4.5）每只整流二極管承受的最大反向電壓為：（4.6）一般電網(wǎng)電壓波動范圍為±10%。實際上選用的二極管的最大整流電流和最高反向電壓應(yīng)留有大于10%的余量。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正，負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。4.3濾波電路濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成。濾波電路的形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式和電感輸入式。[[]王聰敏,李少娟,林艷紅,趙穎娟.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報.2014(11)][]王聰敏,李少娟,林艷紅,趙穎娟.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報.2014(11)圖4.3電容輸入式濾波電路圖4.4電容濾波電路波形圖4.4穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電路使輸出直流基本不受電網(wǎng)電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性，是輸出直流穩(wěn)定。簡單的穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓二極管和限流電阻所組成，電路采用誤差放大電路方案，電路原理圖如圖4.5所示。其中R3、R4及可調(diào)為取樣電路，Q3為誤差放大管，R2與D5構(gòu)成基準(zhǔn)電路。當(dāng)輸出電壓升高時，B點電壓上升，C點電壓升高，而D點電壓下降，使Q1、Q2電流減少，分壓增加，從而使輸出降低。圖4.5穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路原理圖5穩(wěn)壓電源的實現(xiàn)方案與器件的選擇5.1穩(wěn)壓電源的實現(xiàn)方案5.1.1串聯(lián)型穩(wěn)壓電源簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓電源輸出電壓受穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值的限制無法調(diào)節(jié)，需要在晶體管的電流放大下，增大負載電流；在電路中加個電壓負反饋使輸出的電壓穩(wěn)定；并且，通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。串聯(lián)穩(wěn)壓電源相對于并聯(lián)穩(wěn)壓電源來說電源有效率高、輸出調(diào)節(jié)范圍大點、穩(wěn)定性也高。5.1.2簡單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電源并聯(lián)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整元件與負載并聯(lián)[[]馮燕.直流穩(wěn)壓電源保護電路的分析[J].微計算機信息.2016(20)][]馮燕.直流穩(wěn)壓電源保護電路的分析[J].微計算機信息.2016(20)5.1.3輸出可調(diào)的開關(guān)電源開關(guān)型穩(wěn)壓電路已經(jīng)可具有高頻率、高耐壓、功率大、功耗小、重量輕、體積小、等優(yōu)點。但是電路比較復(fù)雜，設(shè)計繁瑣，在低輸出電壓時開關(guān)頻率低，穩(wěn)定性差，紋波大，因此不能采用此方案。綜合考慮紋波系數(shù)、輸入電壓、輸出電壓、負載調(diào)整率、輸出功率、效率，對方案一、方案二、方案三本次設(shè)計選取方案一，要求較低，易實現(xiàn)，元件容易找，電路也比較簡單。5.2總體器件的選擇5.2.1集成三端穩(wěn)壓器根據(jù)輸出要求可知，有固定輸出和可調(diào)輸出兩種。由于集成穩(wěn)壓器具有穩(wěn)定性高以及完善的內(nèi)部保護措施，并且使用方便、價格低廉，所以決定采用7812、7912、7805作為固定穩(wěn)壓器，紋波電壓均可在50mV以下，輸出電流可達到1.5A。采用LM317作為可調(diào)穩(wěn)壓器，紋波電壓均可在50mV以下；輸出電流方面，317系列TO220封裝也可達到1.5A。完全滿足設(shè)計要求。故采用上述器件作為整個電源的穩(wěn)壓部分。5.2.2變壓器的選用根據(jù)設(shè)計要求：（1）4路直流電壓輸出（+5V、±12V、以及+1.25V~+14V可調(diào)）。（2）各路直流輸出電流≥0.5A確定變壓器的副邊電流I2：I2U2max0.8A,所以I2=1A,[[]劉建,高振玲.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報.2015(04)]結(jié)合輸出電流要求，選擇的變壓器的副邊輸出功率：P=I2U2=12W，由于變壓器的原邊輸入功率為0.7,所以選功率為20[]劉建,高振玲.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報.2015(04)5.2.3整流電路的二極管管子導(dǎo)通電流為0.5IO=250mA。查手冊可知，常用整流二極管1N4007最大反向耐壓為1000V，最大正向平均整流電流為1A，完全可以滿足本設(shè)計要求。因此采用1N4007搭成單相全波整流電路作為直流電源的整流電路。因為U2=12V所以二極管的反向擊穿電壓為UBR=50V>21V；最大整流電流為IF=1A>0.25A。5.2.4濾波電容的選擇根據(jù)輸出電流大小選擇濾波電容的參數(shù)，輸出電壓為12v，最大輸出電流為1A,則1A輸出電流對應(yīng)的負載電阻R=15歐，根據(jù)（3~5）T/2條件，則C1=1300~3300UF,取2200UF~3300UF可以滿足。由參數(shù)計算可得輸出電壓U2為12v功率為12歐的變壓器，整流電路的二級管選取IN4001,LM317集成穩(wěn)壓器，C4取10Uf,C3取100Nf,R3=100NfD2取1N3493,R3=240Ω。結(jié)論本文設(shè)計的智能移動電源主要由輸入電路、充電電路、升壓電路、輸出電路、保護電路五部分組成。電電路利用TP4056電源管理芯片自動完成充電過程。充電電壓固定于2V，充電電流可通過一個電阻器進行外部設(shè)置。當(dāng)充電電流在達到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值I/10時，充電電路將自動終止充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓(交流適配器或USB電源)中斷時，