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多功能随身电源设计,power supply design
关键字：多功能随身电源设计
引言
现在，市场上可移动的电子设备越来越多，设备的电源容量和功耗却远远不能满足市场的要求，对日常生活，特别是户外活动造成诸多不便。为此，本文设计了一种多功能、高效、低功耗、安全的随身电源，以满足户外需求，将有很大的实用价值。
多功能随身电源的系统设计
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管栅极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
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。
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。
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