基于PWM降压转换器AP3003的车载充电器

2008-03-24 15:50:31来源: 控制工程中文网
随着电子技术的不断发展,移动多媒体设备正逐渐成为人们生活中不可缺少的工具,与这些产品相对应的充电器设计也越来越受到关注。按照充电器的使用场合,可以分成家用型充电器和车载充电器,一般手机自带的充电器多数是家用型,即交流输入型;车载充电器是一种直流输入型的充电器,它的出现使移动设备的充电场合更加多样化。很多公司都生产了可实现车载充电器方案的控制芯片,比如BCD公司的AZ34063A/C、AZ494B/D和AP3003等。

       AZ34063A/C方案的优点是成本较低,缺点是限流点不准确,过热问题较为普遍;AZ494B/D方案的优点是设计灵活性较强,缺点是外围器件选择较复杂,需要选择合适的功率管、驱动电路,同时需要进行环路补偿设计。AP3003方案的优点是外围器件较少,设计简单,控制精确,虽然成本比AZ34063A/C方案较高,但是其性价比却是三个方案中最高的。

       AP3003系列一共有四个电压版本:3.3V、5V、12V输出电压固定版本和ADJ输出电压可调版本。芯片内部集成了功率管、驱动电路、控制电路和环路补偿,大大简化了车载充电器系统的设计;芯片内部高达150kHz的固定开关频率有效地缩减了外部器件的体积(主要是滤波电感和滤波电容的体积),从而节约了外部空间;最大3A的电流能力使AP3003可以满足大多数大容量电池充电的场合;同时,芯片内部还设计了很多保护电路,比如限流保护和过温保护,这使得芯片在车载充电器系统中应用时更加安全可靠。

车载充电器系统技术指标及设计框图

       车载充电器的输入电压12~36V,输出电压5.1±0.1V,输出电流750  ±50mA。充电器在给电池充电时,如果充电电流过大,可能会导致电池发热、寿命减短、甚至损坏,因此需要恒流(CC)功能,实现对输出电流的精确控制。为了保证充电器不因为短路时输入功率过大而烧毁,则需要短路保护功能。

       用AP3003设计出的车载充电器,其原理如图1所示,包括三大部分:AP3003构建的基本降压电路、恒流恒压(CC/CV)电路和短路保护电路。

图1 车载充电器系统设计框图

基本降压电路

       这部分电路是整个车载充电器系统的核心部分,它为电池在充电过程中提供必须的电压和电流。设计电路如图2所示,分压电阻RA和RB用来设定输出电压,CFF电容可以增加环路的相位裕度,提高系统稳定性,推荐取值范围为10~33nF。

图2 AP3003构建的基本降压电路

恒流恒压(CC/CV)电路

        恒流恒压电路利用了AS358做电压、电流信号的采样和放大。其电路如图3所示,分为两部分,一部分是恒流环:采样电阻RS采样输出电流IO,经过AS358_1进行放大,放大倍数由R2/R1决定(R1=R3,R2=R4),放大后的信号通过二极管D1送到AP3003的FB管脚;另一部分是恒压环:电阻RA和RB采样输出电压VO,经过AS358_2和二极管D2送到AP3003的FB管脚 。根据,可以得到恒流点和恒压点的计算公式(1)和(2):


      (1)

      
        其中,VD1、VD2分别是二极管D1和D2的正向导通电压,VREF是AP3003内部的基准电压。根据设计要求可以选择合适的Rs、R2、R1、RA、RB和二极管,得到恒流点为750mA,恒压点为5V的车载充电器系统,实验测试结果如图4所示。

图4  V-I特性曲线

短路保护电路

       短路保护电路利用一个晶体管来采样输出电压,根据输出电压在短路前后的状态变化判断是否发生短路,从而实现保护功能(见图5)。为了方便示意短路与否,可以加入一个发光二极管做指示灯(见图6),短路发生后,放光二极管D3亮,消除短路后,重新启动电源,电路可以恢复正常工作。

电路工作原理如下:短路发生后,输出电压经过RA和RB采样得到电压值无法维持三极管Q1导通,于是Q1关断,电容C1被充电,连接AP3003 EN管脚的VEN随着时间的推移电压不断升高,表达式如(E-3)所示,VEN一旦高于EN 管脚的阈值电压,整个系统停止工作,实现了短路保护的功能。


(3)


       短路保护设计需要注意两个方面,第一要避免短路保护电路影响系统启动,R1、C1的选择要保证短路保护开始动作的时间远大于系统启动时间;第二是要选择合适的R3,以保证R3的加入不会影响RA和RB所设定的输出电压值。

关键字:降压  转换器  车载

编辑:吕海英 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2008/0324/article_270.html
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