多功能随身电源电路

2014-01-08 16:26:49来源: 互联网

多功能随身电源电路

本文论述的电路系统设计由五部分组成:锂芯容量指示电路、电芯保护电路、充电管理电路、DC-DC升压电路和功能扩展电路。锂芯容量指示电路由XC61CC系列的电压监控芯片组成。电芯保护电路由过充保护、过放保护、过温保护三部分组成,HAT2027、R5402、自恢复保险丝构建了三重保护,使锂芯安全性大大增强。充电管理电路采用了CN3066,将充电过程分为涓流充电、恒流充电、恒压充电和维护充电四个部分,使移动随身电源能够最大程度地储备能量。DC-DC升压电路采用了MAX1771集成芯片,可将锂芯容量在安全范围内最大限度释放,达到对多种数码设备供电的目的。功能扩展涵盖了户外活动所涉及的常见需求,具有应急夜间高亮照、户外防盗安全警报、野营驱蚊等功能。

多功能随身电源的电路实现

锂芯保护电路

如图1所示,电芯保护电路主要由R5402和HAT2027共同组成。除此之外,自恢复保险丝起到了最后一层保护的作用。


 

R5402是一种高精度、基于CMOS的锂芯电池电压保护芯片。HAT2027是具有电流流通方向可调的双MOS产品。

充电时,电池电压从低到高上升,当电池电压大于4.25V时,充电状态被锁存,引脚COUT就会从高电平跳为低电平,HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从1脚到3脚,充电电源无法继续给锂芯充电。如果充电电源继续加载在锂芯电池组两端,即使锂芯电压在4.25V以下,R5402具有的过充锁存状态也不会被释放。这样就保证了电池组在连续充电饱和之后,能锁存在过充状态,隔离充电电源对高能量电池组持续充电。只有当过充时,断开充电电源,过充锁存状态才会被释放,COUT重新变为高电平,HAT2027的1、3引脚此时双向导通,锂芯才能正常工作。

放电时,电池电压下降,当小于2.3V时,放电状态被锁存,引脚DOUT的输出从高电平跳为低电平,HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从3脚到1脚,锂芯电池组无法继续给负载放电。如果没有接上充电电源,即使锂芯电压高于过放电压的最大值,放电锁存状态也不会被释放,这就保证了电池组在经过长时间放电,电压下降到2.3V之后,能锁存在过放状态,隔离低能量电池组持续放电。只有当过放时,接上充电电源,锂芯电压开始高于过放电压时,过放锁存状态才会被释放,同时引脚DOUT的电压重新变为高电平,HAT2027的1、3引脚双向导通,锂芯既能工作在放电状态,又能工作在充电状态。

当锂芯短路时,D。,跳到低电平。此时,锂芯受HAT2027控制无法放电,起到锂芯保护作用。与此同时,自恢复保险丝由于短路的大电流,会受热膨胀,电路切断,起到最后一层保护的作用。当短路故障排除,白恢复保险丝恢复,R5402检电器释放,D。,,重新恢复高电平。

该电路还增设了"休眠"的功能。当电路工作在过放状态,补充电流将会保持非常低的值,从而停止内部电路的工作,使低能量的锂芯不会被R5402和系统后级回路继续消耗能量。 该电路还具有瞬时监控功能。在锂芯负极取一个电压接到R5402的V引脚,内置检电器的延时可以减少大概1/57秒。因此,可以监测电池容量瞬时状态。

DC-DC升压电路

本系统中,DC-DC升压电路主要由MAX1771构成,该控制器采用独特的控制方案,结合PFM(脉冲频率调制)及PWM(脉冲宽度调制)的优越性,提供一个高效、较宽电压调节范围的电源。前者具有较小的静态电流,负载小的情况下效率较高,但纹波较大。后者在负载大的情况下具有较高的效率,噪声小。该控制器采用的是一种改进型的限流PFM控制方式,控制电路限制电感充电电流,使其不超过某一峰值电流。既保持了传统PFM的低静态电流,同时在较大负载的情况下,也具有很高的效率。而且由于限制了峰值电流,采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波,这样便于降低电路成本及尺寸。

如图2所示,将4脚接地,可使其工作在闭环状态。芯片由引脚2上的电压供电,同时也是输出电压。输入电压可以进行从2V到输出电压的变化。外接MOS管极1脚上的电压,从输出电平到零电平跳变,这样可以提供更人的栅极驱动,从而减小外接MOS管的开启电阻。

MAX1771外接MOS管平时是关闭的,此时电感储能。关闭期间,MAX1771会检测外部输入电压,一旦降低到了一定限度,MAX1771就会开启外部MOS管,电感释放能量,重新提供驱动电压。开关频率随负载电流和输入电压而定。5V电压通过两个反馈电阻分压得到。

此外,续流二极管选用肖特基二极管SS34,该器件正向导通电压小,响应时间短。

锂芯容量指示电路

本系统电路设计采用了一种比较简单且实用的方法,即通过测试锂芯电池放电的时间电压特性曲线,选取整个放电过程的四个位点电压,用电压来估算电池的容量。

如图3所示,当按下电压容量指示的功能按键,锂芯的电池电压会加到XC61系列芯片的VIN与VSS引脚上。当电压高丁4.1V,四个芯片同时工作,电池与限流电阻、LED发光管形成四个回路。此时四个发光管同时发亮,表示电池容量饱和。当电池电压在4.1V~3.8V之间,只有三个芯片工作,4102不工作,此时形成三个回路,三个发光管发亮,表示电池容量有所下降。同理可知其它的两种情况。

充电管理电路

充电管理电路由CN3066和继电器构成,如图4所示。当随身电源监测到有充电器对其充电时,继电器令CN3066开始工作,CN3066将整个充电管理过程分为四个部分,即预充电、恒流充电、恒压充电以及维护充电。

当CN3066开始工作时,CN3066会检测电池电压是否较低,如果是,则采用涓流充电,即一个比较小的恒定电流对电池进行充电,直至电池电压上升到一个安全值。之后,充电电流保持较大值不变,通常是涓流充电电流的10倍或更大。1000mAh的电池采用700mA电流充电,这可以避免大电流充电对锂芯的损坏。在恒流充电和涓流充电状态下,充电管理芯片连续监控电池的电压,当单节锂电池的电压达到4.2V,恒流充电状态结束,转入恒压充电状态。在该状态下,充电电压恒定在4.2V。当锂芯的电流下降为原来的1/10之后,恒压充电状态结束。在维护充电状态,电池充足电后,若移动电源仍插在充电器上,电池会由于自放电而损失电量。CN3066以非常小的电流对锂芯充电或监测电池电位,以备对锂芯再充电,这种状态称为维护充电状态。

在本电路中,CN3066会实时监测锂芯的电压、温度、充电电流和充电时间。一旦电池的温度达到60℃,或锂离子电池的电压达到4.2V,恒压充电状态自动终止。此外,还应设置最长恒压充电时间。在温度和电压检测失败的情况下,可以保证锂电池安全充电。

当拔掉充电器,CN3066关闭,随身电源处于预放电状态。

多功能扩展电路

高亮照明功能

户外活动时,特别是夜间活动,需要一个高亮的光源。如图5所示,夜行高亮照明系统,在USB输出口可得到5V电压,加上高亮发光二极管和一个小的限流电阻共同组成。高亮管足够5米内的照明光程。
 

户外报警功能

户外出行,个人财物的防盗至关重要。安全可靠的报警系统有助于保障个人财物的安全,特别是户外野营,灵敏的防盗措施在夜间将发挥其巨大功效。

如图5所示,当按下预报警功能键时,USB输出电压加载在报警系统上,此时移动随身电源处于"预报警"状态。当水银开关B1位置偏移正常的断开位置,将触发继电器工作,使KD9561音乐片工作,发出报警响声,提醒注意安全。

野外驱蚊功能

如图6所示,由左边555合成的振荡频率约为22KHz,再由右边555单稳态电路产生一个50Hz,占空比为50%的方波输入左边555的5脚,合成一种噪声,用于驱赶蚊于。

电路测试

DC-DC电路测试

由图7可见,移动电源连续放电的总能量在2200mAh以上,输出稳定。

 

扩展功能模块的测试

夜行高亮灯管的有效光程为6米。报警系统能够正常工作。驱蚊系统发出21KHz的噪声,对蚊子具有明显的驱赶作用。

总体测试

实验结果证明,多功能随身电源能对市面上大多数手机连续充电5次以上,对MP3、MP4充电12次以上,表明随身电源在户外活动中有充足的能量储备。

结语

该方案科学缜密地排除了锂芯在使用过程中出现的各种安全隐患,与此同时,还巧妙地设计了几个人性化的功能模块,满足了户外活动的常见需求。

本系统方案设计将多功能、低功耗、安全性、高容量、重量轻等诸多特点整合在一起,使整个产品的设计符合实际使用要求,具有广阔的市场前景。

关键字:多功能  随身电源

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2014/0108/article_23236.html
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