你的位置:首頁(yè) > 電源管理 > 正文

移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?

發(fā)布時(shí)間:2015-01-23 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】便攜產(chǎn)品的普及使得移動(dòng)電源面臨著挑戰(zhàn)。移動(dòng)電源是便攜產(chǎn)品的衍生品,同時(shí)也是必需品。隨著鋰離子電池的發(fā)展,移動(dòng)電源也面臨著體積越來(lái)越小,容量越來(lái)越大,續(xù)航能力越來(lái)越強(qiáng)的挑戰(zhàn)。這就對(duì)移動(dòng)電源電路的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越苛刻,本文主要講解了移動(dòng)電源設(shè)計(jì)的三種方案。

移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
圖1 Charger IC + Boost IC 方案。
移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
圖2 MCU + Charger IC + Boost IC 方案。
移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
圖3 MCU + Combo IC 方案。

電路方案

目前移動(dòng)電源的電路方案大致上可分為三種,第一種方案是Charger IC + Boost IC,此種方案利用Charger IC對(duì)移動(dòng)電源的鋰電池充電,Boost IC對(duì)移動(dòng)裝置放電,如圖1所示。第二種方案是MCU + Charger IC + Boost IC,除了第一種方案的部分外,多了MCU對(duì)鋰電池及輸入輸出電壓作偵測(cè),此種方案目前比較常見(jiàn),如圖2所示。第三種方案則是MCU + Combo IC,此種方案是將Charger IC及Boost IC整合成一顆IC,可以減少零件的數(shù)量,節(jié)省PCB空間,如圖3所示。而本文將針對(duì)目前比較常見(jiàn)的第二種方案做詳細(xì)介紹。
[page]
移動(dòng)電源電路

這幾年,隨著便攜式產(chǎn)品不斷成長(zhǎng),移動(dòng)電源的需求也持續(xù)增加,輕薄小巧、快速充電、轉(zhuǎn)換效率高及高安全性等也成為消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)移動(dòng)電源時(shí)的首要考慮,為了滿(mǎn)足消費(fèi)者的需求,許多公司都推出移動(dòng)電源解決方案,在此我們以沛亨半導(dǎo)體所開(kāi)發(fā)的AIC6511及AIC3420作為設(shè)計(jì)范例,提供給讀者參考。

從上一節(jié)可以得知,一個(gè)完整的移動(dòng)電源電路包含了電池充電管理IC、升壓轉(zhuǎn)換器IC及MCU,每個(gè)部分都會(huì)影響移動(dòng)電源的整體效能,所以選用適當(dāng)?shù)腎C是非常重要的。圖4所示為本文所要介紹的移動(dòng)電源電路,主要由AIC6511鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器、AIC3420升壓轉(zhuǎn)換器及MCU所組成。底下將針對(duì)所提出的移動(dòng)電源電路做詳細(xì)的說(shuō)明。

移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
圖4 移動(dòng)電源電路。

A. 鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器


鋰離子電池是目前應(yīng)用最廣泛的可重復(fù)充電式電池,可將單顆鋰電池用于低功率產(chǎn)品,也可以將多顆鋰電池串并聯(lián)得到更高電壓與容量,例如移動(dòng)電源就是將多顆鋰電池并聯(lián)來(lái)獲得高容量。鋰電池具有能量密度高、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)、壽命長(zhǎng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn),非常適合做為便攜式產(chǎn)品的電力來(lái)源。

鋰電池充電IC分為線性式及切換式兩種,線性式充電IC的成本低,IC接腳數(shù)較少,只需要少數(shù)的被動(dòng)組件。然而線性式充電IC有較大的功率損耗,若設(shè)計(jì)不好常會(huì)導(dǎo)致IC溫度過(guò)高,且一般移動(dòng)電源大多使用散熱較差的塑料外殼,使得線性式充電IC無(wú)法提供較大的充電電流,因此線性式充電IC通常比較適合低容量鋰離子電池應(yīng)用。若希望在短時(shí)間之內(nèi)將電池充飽,則必須要提高充電電流,此時(shí)可以考慮應(yīng)用切換式充電IC。切換式充電IC利用開(kāi)關(guān)的高頻切換來(lái)達(dá)到能量的傳遞,可提供較大的充電電流,且具有高轉(zhuǎn)換效率不會(huì)有過(guò)熱現(xiàn)象,適合高容量電池的充電應(yīng)用。

充電過(guò)程中,當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí),要立即停止充電,以避免電池過(guò)充而產(chǎn)生危險(xiǎn),而當(dāng)電池放電時(shí),電池電壓如果降至2.5V以下,要立即停止放電,以免電池過(guò)放而減少電池的使用壽命。除此之外,鋰電池在應(yīng)用上,還會(huì)加上短路保護(hù)電路,防止鋰電池因短路而造成危險(xiǎn)。

鋰電池對(duì)充電要求很高,需要精密的充電電路以保證充電的安全,尤其要求終止充電電壓精度在額定值的±0.5%之內(nèi)。目前鋰電池充電最常采用三段充電法,即預(yù)先充電模式(Trickle Charge Mode)、定電流充電模式(Constant Current Charge Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Charge Mode)。充電IC在充電前會(huì)偵測(cè)電池的狀態(tài),若電池電壓大于3V,將以定電流充電模式充電;若電池電壓低于3V,則以預(yù)先充電模式(約10%的定電流充電模式充電電流) 充電,到接近終止電壓時(shí),改為定電壓模式充電,此時(shí)電池電壓幾乎不變,但充電電流會(huì)持續(xù)下降,當(dāng)充電電流降到某一值時(shí)(約10%的定電流充電模式充電電流),充電電流會(huì)被關(guān)閉,完成充電。圖5所示為采用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。

移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
圖5 采用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。
 
[page]  
B. 鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器

AIC6511是一個(gè)高度整合的切換式鋰離子電池充電管理IC,具有高精度的電流及電壓調(diào)節(jié)能力,適合使用在單顆鋰電池的充電應(yīng)用,當(dāng)電池電壓接近輸入電壓時(shí),將會(huì)進(jìn)入責(zé)任周期為100%的工作模式持續(xù)對(duì)電池進(jìn)行充電,而其本身高達(dá)1.6MHz的切換頻率,將有助減少外部零件的尺寸。此外,其也具備提供充電狀態(tài)指示及電池移除偵測(cè)機(jī)制,支持USB mode及AC Adapter mode兩種輸入模式,最大可以輸出2A的充電電流,充電電流可由外部電阻來(lái)決定。預(yù)先充電電流(Trickle Charge Current)可以由下列公式計(jì)算:
移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
定電流充電電流(Constant Current Charge Current)可由下列公式計(jì)算:
移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
當(dāng)使用USB電源做為輸入時(shí),則可對(duì)輸入電流做限制使輸入電流可以低于USB電源所能提供的電流,避免USB電源進(jìn)入過(guò)流保護(hù),輸入電流限制設(shè)定值的計(jì)算公式如下:
移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
此外,安全定時(shí)器(Safety Timer),可避免因電池?fù)p壞時(shí)充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成危險(xiǎn)。只要充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定的安全計(jì)時(shí)時(shí)間,即便電池還未達(dá)到終止電壓,充電IC也會(huì)關(guān)閉充電電流,停止充電。安全計(jì)時(shí)時(shí)間可以透過(guò)電容C5來(lái)設(shè)定,預(yù)先充電(Trickle Charge)模式下之安全計(jì)時(shí)時(shí)間可由下列公式計(jì)算:
移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
定電流充電(Constant Current Charge) 模式下之安全計(jì)時(shí)時(shí)間則可由下列公式計(jì)算:
移動(dòng)電源電路的三種設(shè)計(jì)方案,哪個(gè)技高一籌?
為避免電池高溫充電,并提高安全性,IC透過(guò)負(fù)溫度系數(shù)(NTC, Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻來(lái)偵測(cè)電池溫度,當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí),IC會(huì)馬上終止充電,只有在電池溫度維持在安全范圍內(nèi)(通常是0~45℃)時(shí),才會(huì)對(duì)電池進(jìn)行充電。而為了防止電池放電到輸入端,內(nèi)建的休眠模式(Sleep Mode)功能,當(dāng)輸入端電壓低于電池電壓時(shí), P-channel MOSFET Power Switch將會(huì)關(guān)閉以防止電池對(duì)充電IC或輸入端進(jìn)行放電。

另外,短路保護(hù)(Short Circuit Protection)功能、過(guò)電流保護(hù)(Over Current Protection)功能及過(guò)溫度保護(hù)(Over Temperature Protection)功能,當(dāng)輸出發(fā)生短路時(shí),短路保護(hù)功能啟動(dòng),電感電流會(huì)被限制住且切換頻率也會(huì)降低以減少損失;IC本身也會(huì)偵測(cè)流經(jīng)內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)的電流,當(dāng)功率開(kāi)關(guān)的電流過(guò)大時(shí),過(guò)電流保護(hù)功能啟動(dòng),限制住功率開(kāi)關(guān)的電流不再往上增加,以保護(hù)內(nèi)部的切換開(kāi)關(guān);此外,當(dāng)IC結(jié)面溫度達(dá)到150oC時(shí),過(guò)溫度保護(hù)功能將會(huì)啟動(dòng),IC會(huì)停止充電,直到IC溫度降至120oC,才回復(fù)充電。

C. 升壓轉(zhuǎn)換器與MCU

AIC3420是一個(gè)具輕載高效率的同步升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器IC,最低輸入啟動(dòng)電壓為0.9V,可以使用單顆鋰電池做為輸入電源,最大輸出電流可達(dá)2.1A,適合較大電流的應(yīng)用。當(dāng)負(fù)載操作在輕載時(shí),IC會(huì)切換至PSM (Pulse Skipping Mode) 模式降低待機(jī)的功率損失,提升輕載效率。True Shutdown功能,使IC 進(jìn)入Shutdown模式時(shí),輸出電壓降為0V。而零電流偵測(cè)(Zero Current Detection)功能讓電感電流不會(huì)有倒灌現(xiàn)象,可大幅改善輕載效率,最高效率可達(dá)94%,對(duì)移動(dòng)電源來(lái)說(shuō)可以更有效率的放電。

另外,柔性啟動(dòng)(Soft Start)功能以限制啟動(dòng)時(shí)輸出電壓的過(guò)沖(Overshoot)及涌浪電流(Inrush Current),避免IC及零件的損壞。而AIC3420本身也具有短路保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)溫度保護(hù)及過(guò)電壓保護(hù)功能。

本文所介紹的移動(dòng)電源電路中,MCU的主要功能為輸入電壓偵測(cè)、輸出電壓偵測(cè)、電池電量狀況顯示以及輸出過(guò)電流保護(hù)等。電路中,LED將顯示電池的電量,可以讓使用者知道電池的電量狀況。而當(dāng)輸入及輸出電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí),MCU會(huì)送出訊號(hào)關(guān)閉IC;另外,當(dāng)發(fā)生輸出過(guò)電流時(shí),MCU也會(huì)關(guān)閉IC來(lái)保護(hù)電池及IC。

相關(guān)閱讀:

選購(gòu)必知:移動(dòng)電源購(gòu)買(mǎi)指引和使用建議
移動(dòng)電源方案哪種強(qiáng)?串聯(lián)還是并聯(lián)?
移動(dòng)電源市場(chǎng)水有多深?一看你便知

要采購(gòu)轉(zhuǎn)換器么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
熱門(mén)搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉