解读低功耗移动电源系统硬件电路

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移动电源是一种采用可充电电池作为储电单元,通过升压或者降压的方式输出能量,可以通过用电器直流电源输入接口直接对用电器供电或者充电,以达到为 便携式电子产品续航的目的。移动电源的基本构成一般由可充电电池、升压或降压电路、充电管理电路、电池保护电路、控制电路等组成,基本架构示意图如图1所 示。

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从移动电源的基本构架上看,可以把移 动电源的结构简化为电池和电路保护板。电池的材料、体积、容量等都直接影响移动电源的质量。目前手机等随身携带的电 子产品移动电源的电芯多为聚合物电池。新一代的聚合物电池的聚合物化程度很高,所以可做到面积任意化和形状任意化、薄形化。而且.聚合物电池的单位能量比 一般锂电池的单位能量提高了50%.其容量、安全性、充放电特性、工作环境、使用寿命以及环保性能等方面都较一般锂电池有大幅度的改善。电路保护板是移动 电源的主要电路设计.对移动电源的性能及安全性的影响很大。该电路板主 要功能是实现对电池的充电、放电管理,以及对电池的保护。如果失去了对电池的保护,移动电源将成为随时会燃爆的手雷。移动电源使用的电池电压一般都在 2.7~4.2 V,电压随着电量的下降而下降,而2.7~4.2 V的电压是不能直接给其它数码产品充电或供电的,所以移动电源要向外输出电能必须有升压控制电路。由于采用聚合物电池作为移动电源的初始储能,当储能用 完,就要补充,因此聚合物锂电池必须有充电控制电路。

单片机控制电路

SN8P2711A是一个拥有RISC-1ike的高性能和低功耗系统,价格非常便宜,引脚相对较少,广泛应用于小家电、温度测量、高端智能型充电器、开关电源等领域。本设计选用SN8P27llA单片机作为移动电源的控制系统。具体电路设计如图3所示。

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该控制电路主要完成采集电压、控制充放电的工作状态、电量指示等功能。开关s1实现整个系统的打开与关闭。四个发光二极管用来指示充放电状态下的电量。 P4.0口连接升压电路输出端控制信号ON/OFF。控制升压电路是否输出到负载。P4.1连接升压芯片S8355的开关控制端子ON/OFFl,控制芯 片进行启动或者停止升压工作。P4.2口采集输出电压.将接收到的采样电压进行AD转换,检测输出负载电压是否正常。P4.3和P4.4口采集聚合物电池 电压和电流信号,将接收到的采样电压进行AD转换。检测输出负载电压是否正常。P0.0口先检测外界是否有输入电压,然后控制充电电路是否工作。P0.4 口作为检测指示充满电的信号,当聚合物电池充满电时,AP5056的STDBY端口输出低电平信号,送到P0.4口检测,检测到低电平,控制P0.0口输 出低电平,从而使AP5056处于休眠状态,停止充电。由于该单片机采用内部聚合物电池供电,在充放电过程中电压不稳定,为了保证单片机的供电稳定,采用 Xc62063低压差大电流稳压器进行稳压。

电池充电管理电路

充电管理电路采 用 芯片AP5056,该芯片可以对聚合物锂电池进行恒流/恒压充电,外围只需接极少的元器件,可以适应USB电源和适配器电源工作,非常适用于便携式应用的 领域旧。充电输出电压为4.2 V.充电电流可以通过一个外部电阻设置。在恒压充电阶段,当充电电流降至设定值1/10时,AP5056将终止充电循环。其它功能包括输入电压掉电自动进 入睡眠模式、电压输入过低锁存、芯片使能控制输人、自动再充电、充放电状态指示以及电池温度监控等功能。充电管理电路如图4所示,CE引脚输入连接单片机 的P0.0端口,当CE为高电平时,AP5056开始工作实现聚合物电池的充电,当CE端为低电平时,AP5056处于休眠状态,停止充电。STDBY引 脚为输出端,输出低电平有效,指示电池是否充满,连接到单片机的P0.4引脚。

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DC—DC升压电路

升压电路采用S-8355芯片,S-8355是一种由基准电压源、振荡电路、误差放大器、相位补偿电路、PWM控制电路等构成的CMOS升压DC控制器。通过使用外接低通态电阻N沟道功率MOS,即可适用于需要高效率、高输出电流的应用电路上,外围电路如图5所示。

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输 入电压为聚合物电池供电电压,晶体管Q1为开关管,电感L1和电容C5组成滤波电路,SD为续流二极管。Q1管的工作状态受S-8355的EXT 端子控制,当EXT为高电平时,Q1饱和导通,BAT+通过Q1给电感L1充电储能,充电电流几乎线性增大,SD因承受反压而截止,滤波电容c5对负载电 阻放电;当ExT为低电平时,Q1截止,L1产生感应电动势,其方向阻止电流的变化,因为与BAT+同方向,两个电压相加后通过二极管sD对c5充电。因 此,无论Ql和sD的状态如何,负载电流方向始终不变。只有当L1足够大时,才能升压;并且只有当C5足够大时,输出电压的脉动才可能足够小;当ExT的 周期不变时,占空比越大,输出电压将越高。电路中FB为电压调整端,信号取自输出负反馈稳压电路,控制升压芯片达到稳定输出的目的。升压电路还包含输出控 制电路,由两个开关管Q2和Q3构成一个开关控制电路。这个开关电路的控制信号0N/OFF来自单片机的P4.0端子。当P4.0为高电平时,Q3导 通,Q2截止,升压电路的输出电压可以输出到负载,否则输出与负载断开。

电池保护电路

该电路主要由锂电池保护专用集成电路S- 8261和控制充放电的MOsFET管等部分组成,电路如图6所示。在充电过程中,当电池的电压超过4.35 v时,专用集成电路S-8261的C0脚输出信号使充电控制Q5截止,锂电池立即停止充电,从而防止锂电池因过充电而损坏;放电过程中,当电池电压降到 2.3 v时.S-8261的D0引脚输出信号使放电控制Q4截止,聚合物锂电池立即停止放电,以防止聚合物锂电池过度放电。S-8261的VM引脚为电流检测 端。输出短路时,Q4、Q5的导通压降剧增,使得VM引脚电压立即升高,从而控制s-8261输出信号使Q4、Q5立即截止,从而实现过电流或短路保护。

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采样反馈稳压控制电路

采样反馈稳压控制电路如图7所示,其中采样电路采用电阻分压方式,运放LM358($0.0737)构成同相比例放大电路,其输出信号连接到升压芯片的电压调整控制端FB,从而控制升压电路内部调整输出电压,达到输出电源稳定。

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软件设计

单片机的程序设计要使整个电路稳定有序工作,因此必须考虑各个单元电路的工作原理和整个时序要求。该移动电源的工作原理是:当外接有5 V电源输入时,单片机控制AP5056给锂电池充电,此时中断移动电源输出模块;当按键1 s键人后,电池电压采样发送给单片机SN8P27ll经过处理控制LEDl、LED2、LED3、LED4工作;当键人3 s后单片机控制升压电路停止或者开启电源的输出,主程序流程图如图8所示。

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编辑点评:

通过分析移动电源的结构组成及关键技术,发现移动电源的性能优劣取决于储能介质、转换效率和兼容性,储能介质由聚合物电池决定,转换效率取决于电路板设 计,输出方式决定兼容性。本文设计了一款以低功耗的单片机为核心控制系统的Dc-Dc升压方式的移动电源,各组成单元电路采用目前技术较为成熟的集成芯 片,简化外围电路的设计。该设计性价比高,携带方便,操作简便,具备一定的兼容性,能为各种智能手机、MP3、MP4、数码相机等数码产品提供外置电源。