基于DCDC轉(zhuǎn)換移動(dòng)電源的研究與設(shè)計(jì)

1、基于DC-DC轉(zhuǎn)換移動(dòng)電源的研究與設(shè)計(jì)摘要：目前人們生活水平的不斷提高，隨身攜帶式的電子產(chǎn)品也越來越多為了解決續(xù)航問題需要一種移動(dòng)電源。因此本文設(shè)計(jì)了一款基于DC-DC升壓型移動(dòng)開關(guān)電源的電路，該電路采用聚合物電池電源管理方案實(shí)現(xiàn)，能滿足5V移動(dòng)設(shè)備的續(xù)航要求。電路中主要由單片機(jī)SN8P2711來控制鋰電池充電模塊的工作與休眠，實(shí)現(xiàn)鋰電池電量的顯示以及電源輸出的開關(guān)，同時(shí)也控制DC-DC升壓電路的工作與否。該設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)聚合物電池的充電以及放電。設(shè)計(jì)的主要理念是實(shí)現(xiàn)電能的高效率轉(zhuǎn)換。該移動(dòng)開關(guān)電源具有輸出電壓紋波小，轉(zhuǎn)換效率高，最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到89%，具有良好的性能和負(fù)載調(diào)整能力。關(guān)鍵詞：D

2、C-DC轉(zhuǎn)換；開關(guān)電源； SN8P2711；移動(dòng)電源；Research and design of DC-DC conversiton mobile powerAbstract: At present people's living standards continue to improve, carry portable electronic products is also increasing，so a mobile power is needed to solve the endurance problem. This paper designs a circuit based

3、 on DC-DC boost mobile switching power, using polymer battery power management program ,it can power 5V mobile devices. In this circuit charging, display of the lithium battery and power output are mainly controlled by the microcontroller SN8P2711 lithium, meanwhile it control the work of DC-DC boos

4、t circuit. The design of the main polymer battery energy storage and discharge. The main design philosophy is to achieve high-efficiency conversion of electrical energy. The mobile switching power supply output voltage ripple, high conversion efficiency, the highest conversion efficiency of 89%, wit

5、h good performance and load regulation capability.Keywords: DC-DC converter; switching power supply; SN8P2711; mobile power;目 錄1 概述11.1 DC-DC移動(dòng)電源簡介11.2 DC-DC移動(dòng)電源的發(fā)展與趨勢11.3 本文研究的意義32 移動(dòng)電源基礎(chǔ)42.1 移動(dòng)電源的定義42.2 移動(dòng)電源的適用范圍42.3 移動(dòng)電源的技術(shù)52.4 移動(dòng)電源工作原理52.5 電源電芯52.6 升壓系統(tǒng)62.7 充電管理系統(tǒng)62.8 移動(dòng)電源的基本構(gòu)成63 移動(dòng)電源硬件設(shè)計(jì)方案73.1

6、移動(dòng)電源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)73.2 硬件設(shè)計(jì)框圖73.3 鋰電池充電電路83.3.1 AP5056電路工作過程93.3.2 芯片熱保護(hù)功能103.4 DC-DC升壓電路設(shè)計(jì)113.4.1 外圍器件的選擇113.5 聚合物電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)123.6 電阻分壓采樣電路143.7 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)143.7.1 單片機(jī)SN8P2711A簡介143.7.2 單片機(jī)引腳圖及功能153.7.3 單片機(jī)控制電路163.8 負(fù)反饋控制PWM實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能電路194 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案204.1 程序設(shè)計(jì)步驟204.2 程序設(shè)計(jì)流程圖204.3 單片機(jī)軟件控制工作說明215 移動(dòng)電源設(shè)計(jì)實(shí)物圖225.1 設(shè)計(jì)實(shí)物圖以及

7、標(biāo)注226 總結(jié)23參考文獻(xiàn)24附 錄251.1 DC-DC移動(dòng)電源簡介DC-DC移動(dòng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是利用電能轉(zhuǎn)換技術(shù)將電池或其他直流電源等一次電能轉(zhuǎn)換成適合各種用電對(duì)象的二次電能供應(yīng)的裝置，是電子工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，一切便攜式電子設(shè)備的動(dòng)力心臟。DC-DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能直接影響到整個(gè)電子系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們工作和生活的關(guān)系變得日益密切。同時(shí)，電子產(chǎn)品正向多元化發(fā)展，對(duì)電源的設(shè)計(jì)要求變得越來越高。近幾十年來，在微電子技術(shù)推動(dòng)作用下，DC-DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)得到了飛速發(fā)展，成為了電源管理系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，電源管理處于電源

8、技術(shù)的核心地位，從2006年在深圳召開的全球半導(dǎo)體大會(huì)可以看出目前電源管理在半導(dǎo)體市場中所處的位置，目前電源管理市場的增長超過半導(dǎo)體行業(yè)的增長。這里主要有三點(diǎn)因素，基于此既能看到機(jī)遇，同時(shí)也顯示出極大的挑戰(zhàn)。一是便攜性需求增加，但對(duì)電池管理和電源管理要求也更高;二是節(jié)能要求，要求市場當(dāng)中采取新的方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能，如果要使用高效率電源管理的話就需要不斷創(chuàng)新的電源管理方法，這就對(duì)電源管理芯片設(shè)計(jì)者們提出了新的要求，比如必須有待機(jī)狀態(tài)的電源管理，或者采用新的技術(shù)進(jìn)一步減小芯片內(nèi)部的功耗;三是不同的應(yīng)用領(lǐng)域也推動(dòng)電源管理市場的發(fā)展，目前市場出現(xiàn)高度的多元化，包括PC、手機(jī)、數(shù)字電視、掌上電腦、數(shù)碼相機(jī)等等

9、，很多應(yīng)用都要求有更長的電池壽命，重量輕，體積小等。新興市場和新興應(yīng)用將是半導(dǎo)體發(fā)展非常重要的兩點(diǎn)，也是電源管理發(fā)展的重點(diǎn)1。1.2 DC-DC移動(dòng)電源的發(fā)展與趨勢開關(guān)電源最大的應(yīng)用領(lǐng)域是在通信行業(yè)。近十年來我國通信事業(yè)快速發(fā)展，通信電源也同步增長。日本和美國的電子工業(yè)和通信業(yè)很發(fā)達(dá)，因此對(duì)電源的需求量非常大。在2000年，由于亞洲通信事業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)電源供應(yīng)和管理電路的需求量在全球市場上的比例升至10%，并且這個(gè)比例在今后一段時(shí)間還將迅速增長，從而成為世界上最有發(fā)展?jié)摿Φ碾娫垂?yīng)市場之一。2004年全球嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的出貨量約為1.21億只。針對(duì)這些不同的應(yīng)用，性能管理、熱效能管理

10、等都非常重要。在第十二屆國際集成電路研討會(huì)上也道出中國的半導(dǎo)體消費(fèi)在未來的幾年內(nèi)仍將保持高速增長，到2010年中國芯片的產(chǎn)值將超過 1000億美元，因此電源管理芯片有極大的發(fā)展空間。中國在電源管理IC方面起步較晚，但是進(jìn)步相當(dāng)迅速。比如國內(nèi)的圣邦微電子、長運(yùn)通、美芯等都開始崛起，推出了自己的電源管理IC。圣邦微電子己經(jīng)推出的電源管理IC主要針對(duì)手持設(shè)備，主要是一系列以低功耗、低噪聲、高PSRR為特征的芯片；關(guān)注的重點(diǎn)也是MP3、MP4、手機(jī)等便攜式手持設(shè)備市場。臺(tái)灣地區(qū)進(jìn)軍電源管理市場也比較晚，但是近二十年來發(fā)展也很快，在2004年臺(tái)灣前七大電源管理芯片廠商的營收總和比前一年增長了24.4%，

11、占全球電源管理芯片的5.5%2。開關(guān)電源是電源管理中非常重要的一員，被譽(yù)為“高效節(jié)能電源”，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)己成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，自身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)70%80%，比普通的線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。開關(guān)電源亦稱為無工頻變壓器的電源，它是利用體積很小的高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的工頻變壓器，還可采用體積較小的濾波元件和散熱器，這就為研究與開發(fā)高效率、高密度、高可靠性、體積小、重量輕的開關(guān)電源奠定了基礎(chǔ)。自上世紀(jì)60年代開關(guān)電源問世以來，經(jīng)過40余年的高速發(fā)展，其經(jīng)歷了功率半導(dǎo)體器件、高頻化和軟開關(guān)技術(shù)

12、和開關(guān)電源系統(tǒng)的集成技術(shù)三個(gè)發(fā)展階段。當(dāng)今開關(guān)電源更是發(fā)展勢頭良好，向著效率更高，體積更小，電磁污染更少，可靠性更高的“四更”方向發(fā)展，出現(xiàn)了四大明顯趨勢:一是非隔離DC-DC技術(shù)迅速發(fā)展；二是開關(guān)電源數(shù)字化趨勢明顯，目前大多數(shù)的模擬電路系統(tǒng)都逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，近年來數(shù)字電源也初現(xiàn)端倪，據(jù)報(bào)道TI公司己經(jīng)研發(fā)出了多款數(shù)字式PWM控制芯片；三是初級(jí)PWM控制IC不斷優(yōu)化，這是針對(duì)隔離式DC-DC變換器而言的，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和各大公司不遺余力的研究，在初級(jí)端采用的有源箱位技術(shù)己經(jīng)做到了完美無缺的地步，全橋移相技術(shù)也達(dá)到了頂峰；四是同步整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效率，該技術(shù)自誕生以來使得開關(guān)電源技術(shù)得到了極

13、大的發(fā)展。目前同步整流技術(shù)都在努力實(shí)現(xiàn)ZVS (Zero Voltage Switching), ZCS(Zero Current Switching)方式的同步整流，綜合采用軟開關(guān)技術(shù)和同步整流技術(shù)的中小功率的DC-DC變換器其效率都在89%以上345?？傊咝?、小型化、集成化、智能化以及提高可靠性是大勢所趨，也是今后的主要發(fā)展方向。1.3 本文研究的意義隨著便攜式產(chǎn)品的增加，戶外電子產(chǎn)品在商旅、長途旅行等用途上大功率的便攜式移動(dòng)產(chǎn)品的電池已不能滿足產(chǎn)品的供電。新興的便攜式電子產(chǎn)品也需要移動(dòng)電源充電器，如迷你便攜音響，GPS等車載用品，需求量大！記者在深圳深圳會(huì)展中心近期舉行的高交會(huì)了解到

14、，很多國內(nèi)外的采購商還第一次接觸移動(dòng)電源產(chǎn)品，這也是本次會(huì)展的一大亮點(diǎn)，采購商們一致認(rèn)為移動(dòng)電源以后的普及度不亞于數(shù)碼相機(jī)等傳統(tǒng)數(shù)碼產(chǎn)品，觀展后很多采購商紛紛到華強(qiáng)北市場尋找移動(dòng)電源貨源6。移動(dòng)電源早在10年前已經(jīng)出現(xiàn)，只是一直沒有普及和火熱起來，主要是前些年電子便攜式產(chǎn)品的增長和普及沒有現(xiàn)在迅速，移動(dòng)電源的發(fā)展將會(huì)推動(dòng)電池行業(yè)的革新，電池電芯將會(huì)向高容量、小體積、低污染發(fā)展。而目前數(shù)碼產(chǎn)品市場的快速增長中伴隨著這樣的發(fā)展趨勢：產(chǎn)品功能多樣化、顯示屏幕大尺寸且彩屏化、機(jī)型更加輕薄小巧，但是實(shí)現(xiàn)這些特點(diǎn)都會(huì)加快電量的消耗，并須減小電池體積。為了滿足高端商務(wù)客戶和移動(dòng)人群對(duì)數(shù)碼電子產(chǎn)品的使用要求，

15、移動(dòng)電源的地位將會(huì)更加突出。 2.1 移動(dòng)電源的定義移動(dòng)電源一種集儲(chǔ)電、供電和充電功能于一體的便攜電池充電器。可以給手機(jī)、平板電腦、相機(jī)等數(shù)碼設(shè)備隨時(shí)隨地充電或待機(jī)供電。有于技術(shù)不段發(fā)展，新的功能應(yīng)用也逐步增加，如LED照明。太陽能電池技術(shù)的融合等一般由鋰電芯電池、太陽能電池或者干電池作為儲(chǔ)電單元。區(qū)別于產(chǎn)品內(nèi)部配置的電池，移動(dòng)電源，也叫“外掛電池”、“外置電池”、“后備電池”、“數(shù)碼充電伴侶”、“充電棒”、“充電寶”，由于適應(yīng)多種產(chǎn)品所以一般配備多種電源充電轉(zhuǎn)接頭， 通常具有大容量、多用途、體積小、壽命長和安全可靠等特點(diǎn)，是可隨時(shí)隨地為手機(jī)、MP3、MP4、PDA、掌上電腦、掌上游戲機(jī)等多種

16、數(shù)碼產(chǎn)品供電或待機(jī)充電的功能產(chǎn)品。2.2 移動(dòng)電源的適用范圍隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，隨身攜帶式的電子產(chǎn)品也越來越多。1、通用性如筆記本電腦、平板電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、便攜式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖設(shè)備、醫(yī)療保健設(shè)備等。2、實(shí)用性它們都要用到電池，但這些設(shè)備的原配電池都會(huì)因?yàn)殡姵厝萘康投荒軡M足設(shè)備的正常使用時(shí)間。當(dāng)出差或旅游時(shí)又是這些設(shè)備的工作高峰期，經(jīng)常在關(guān)鍵時(shí)刻電池沒有電了，特別是在手機(jī)正在打電話時(shí)，數(shù)碼相機(jī)正在拍照時(shí)，PSP游戲機(jī)玩的正起勁時(shí)，PDA正在工作時(shí)等等，讓您感覺很無奈和無助。此時(shí)移動(dòng)電源能解決你的煩惱。3、移動(dòng)性移動(dòng)電源的移

17、動(dòng)性是指產(chǎn)品能在移動(dòng)狀態(tài)下（例如旅游，開會(huì)，充電器不在身邊或不方便充電情況下）發(fā)揮其功用，即在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間不受局限地給數(shù)碼產(chǎn)品供電或充電，真實(shí)地給人以踏實(shí)感，使生活和工作品質(zhì)得以提升。2.3 移動(dòng)電源的技術(shù)移動(dòng)電源可以通過USB電纜線使用在任何符合USB On-The-Go (USB-OTG)（國際標(biāo)準(zhǔn)）的便攜型設(shè)備移動(dòng)電源一定要具備：短路、過充、過放、恒流、恒壓等保護(hù)措施，還應(yīng)有高性能電源管理技術(shù)不過對(duì)于使用電壓較高的相關(guān)數(shù)碼產(chǎn)品，比如手提之類的，則需要配置輸出電壓較高的移動(dòng)電源，這個(gè)與移動(dòng)電源本身實(shí)際的容量成正比。2.4 移動(dòng)電源工作原理 儲(chǔ)電介質(zhì)一般采用鋰電電芯，因?yàn)殇囯婋娦倔w積相

18、對(duì)小巧，容量大，市場流通廣，價(jià)格適中，被廣泛用于數(shù)碼產(chǎn)品。鋰電的電壓在之間，電壓隨著電量的下降而下降。而的電壓是不能直接給其它數(shù)碼產(chǎn)品充電的，因?yàn)閿?shù)碼產(chǎn)品的鋰電電壓也是,同電位的電壓之間是不能充電的。所以移動(dòng)電源向外輸出電能是必須要有升壓系統(tǒng)，把 的鋰電電壓升壓到5V，這樣就可以給其它數(shù)碼產(chǎn)品充電了。當(dāng)然，移動(dòng)電源不是一次性設(shè)備，它可以反復(fù)使用數(shù)百次以上。所以當(dāng)移動(dòng)電源電能使用完后，我們必須給移動(dòng)電源充電。其原理和給手機(jī)充電一樣。連接到5V的USB電腦接口或USB充電器上即可給移動(dòng)電源充電。所以移動(dòng)電源內(nèi)部還必須有充電管理系統(tǒng)。充電管理系統(tǒng)能根據(jù)鋰電的電壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流。過程有：預(yù)充，恒壓

19、充電，和浮充充電等。2.5 電源電芯常用的有聚合物鋰電、18650鋰電、AAA鎳氫電池。聚合物鋰離子電池：標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7 V，形狀較多，可定制，具有容量大、性能穩(wěn)定、體積和形狀任意變化、一般為軟包形態(tài)。根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池兩大類。聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，正極材料可分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料，負(fù)極為石墨，電池的工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同， 液態(tài)鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)， 而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替， 這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠

20、態(tài)”的，目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)18650鋰電：直徑18mm長度65mm圓柱型電池。標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7V，具有體積小，容量大的特點(diǎn)。AAA 鎳氫電池：標(biāo)準(zhǔn)電壓1.2V 。容量相對(duì)較小。應(yīng)該廣泛，家用電器，玩家的等，也就是常見的干電池。2.6 升壓系統(tǒng)升壓主流技術(shù)基本采用DC-DC 的升壓方式。國內(nèi)技術(shù)轉(zhuǎn)換效率普遍低，一般在50-70%，臺(tái)灣的在75-80%，美國的相對(duì)會(huì)高些86-95。也有降壓方案的，效率比較高，但對(duì)電芯的一致性要求高，所以目前幾乎不輕易采用。只有在帶有9V-12V輸出移動(dòng)電源上，但對(duì)技術(shù)要求很高。2.7 充電管理系統(tǒng)移動(dòng)電源電池?zé)o電時(shí)也需要充電，為了體現(xiàn)移動(dòng)電源的通用性充電

21、一般設(shè)定為5V目前國內(nèi)充電管理系統(tǒng)比較成熟，電芯電壓從2.7V到4.2V，都會(huì)由智能IC監(jiān)控整個(gè)充電過程。充電管理IC充電管理失效，會(huì)造成移動(dòng)電源電池永久損壞，或燃燒甚至爆炸。目前低廉的移動(dòng)電源多辦未使用智能充電保護(hù)IC7。2.8 移動(dòng)電源的基本構(gòu)成移動(dòng)電源采用聚合物電池作為中心元件，首先給聚合物電池充電，因?yàn)殡姵爻杀颈容^高，而且為了提高系統(tǒng)的安全性要有一個(gè)充電管理系統(tǒng)。當(dāng)需要給便攜式設(shè)備充電時(shí)，聚合物電池放電，因?yàn)楸銛y式設(shè)備普遍輸入電壓為5V，所以有一個(gè)升壓系統(tǒng)8。移動(dòng)電源的基本構(gòu)成如圖所示：圖1 移動(dòng)電源基本構(gòu)成3.1 移動(dòng)電源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)本文論述的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)由四部分組成：充電管理電路、

22、鋰芯容量指示電路、DC-DC升壓電路和鋰芯保護(hù)電路。如圖2：容量指示電路移動(dòng)開關(guān)電源充電管理電路DC-DC升壓電路鋰電池保護(hù)電路圖2 硬件設(shè)計(jì)方案 由目前大眾的消費(fèi)觀和需求，一個(gè)可以提高儲(chǔ)能效率的可移動(dòng)充電電源成為一種值得去研究和設(shè)計(jì)的課題，在戶外的旅行和其他不能找到市電插孔的情況下它可以說是功不可沒的，本設(shè)計(jì)思路主要是能將市面上普遍的、成本低、效能高的聚合物電芯作為一種載體將能量進(jìn)行儲(chǔ)能隨身攜帶以方便便攜式設(shè)備的供電。3.2 硬件設(shè)計(jì)框圖硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示：電流控制電路DC/DC轉(zhuǎn)換器單片機(jī)控制過充過放保護(hù)電壓采樣聚合物電池適配器輸入U(xiǎn)SB輸入電量顯示電路5V輸出電壓放大比較圖3 系統(tǒng)硬

23、件設(shè)計(jì)框圖該設(shè)計(jì)首先是將聚合物電芯進(jìn)行儲(chǔ)能，此設(shè)計(jì)可以用大家常用的手機(jī)充電適配器進(jìn)行5V電壓充電，這時(shí)候就需要設(shè)計(jì)一個(gè)充電電路，充電過程中會(huì)有電池容量指示燈顯示以提示用戶聚合物電芯是否充滿電，下面就是DC/DC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)品使用的過程就是將聚合物電芯電壓進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換成為所需要的5V手機(jī)充電電壓，將儲(chǔ)能電池的“粗電”轉(zhuǎn)化為“細(xì)電”以提高手機(jī)電池使用壽命和充電效率。在使用的過程中大家只需要用USB線連接移動(dòng)開關(guān)電源的輸出端，另一端連接5V充電電壓的用電設(shè)備撥動(dòng)輸出開關(guān)就可以進(jìn)行便攜式設(shè)備的充電了，充電過程主要有四種基本充電模式：涓流充電、恒流充電、恒壓充電和充電完成與再充電。這樣主要是為了能有效

24、保護(hù)便攜式設(shè)備的電池和使其達(dá)到最大儲(chǔ)能。同時(shí)在電路中加有電量顯示LED燈，用戶可以在使用過程中隨時(shí)檢查電量。在電流充電過程中肯定要有過流過載和短路保護(hù)。3.3 鋰電池充電電路當(dāng)充電器需要直流適配器與USB充電兩者都能用時(shí)，我采用圖4所示的方案：圖4 聚合物電池充電電路方案中，假如使用USB口進(jìn)行供電的話，MOS-P門極接地，USB電源通過MOS-P導(dǎo)通至VCC，同時(shí)MOS-N處于關(guān)斷狀態(tài);而當(dāng)采用5V直流適配器的時(shí)候，適配器電流通過肖特基二極管加至VCC腳，MOS-P由于門極為高電平而被截止，不會(huì)對(duì)USB口產(chǎn)生影響。同時(shí)MOS-N由于門極為高電平而導(dǎo)通，此時(shí)PROG腳上的編程電阻1K，即設(shè)定充

25、電電流為1A，來對(duì)一鋰離子電池進(jìn)行快速充電。AP5056是可以對(duì)單節(jié)鋰離子或鋰聚合物可充電電池進(jìn)行恒流/恒壓充電的充電器電路。器件內(nèi)部采用PMOSFET架構(gòu)，應(yīng)用時(shí)不需要外部另加阻流一極管。熱反饋電路可以自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流，使器件在功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的情況下將芯片溫度控制在安全范圍內(nèi)。AP5056只需要極少的外圍元器件，可以適應(yīng)USB電源和適配器電源工作，非常適用于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。充電輸出電壓為4. 2V，充電電流的大小可以通過一個(gè)外部電阻設(shè)置。在恒壓充電階段中，當(dāng)充電電流降至設(shè)定值1/10時(shí)，AP5056將終止充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓(交流適配器或者USB電源)掉電時(shí)，AP5056自動(dòng)

26、進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)電池的電流消耗小于2uA其它功能包括輸入電壓過低鎖存、芯片使能輸入、自動(dòng)再充電、電池溫度監(jiān)控以及狀態(tài)指示等功能。 AP5056電路工作過程AP50569在整個(gè)電池充電過程中有四種基木充電模式:涓流充電、恒流充電、恒壓充電和充電完成與再充電。涓流充電:充電開始前，AP5056先檢查輸入電源，當(dāng)輸入電源大于最小工作電壓或欠壓鎖定閾值，并且芯片使能端接高電平時(shí)，AP5056開始對(duì)一電池充電。AP5056先檢查電池的狀態(tài)。如果電池電壓高于3V，充電器則進(jìn)入恒流充電;而如果電池電壓低于3V時(shí)，充電器則進(jìn)入涓流充電模式。涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一(還是以恒定充電電流為1

27、A舉例，則涓流充電電流為100mA),涓流充電狀態(tài)一直保持延續(xù)到AP5056芯片探測到電池電壓達(dá)到3V后結(jié)束，之后進(jìn)入恒流充電階段。恒流充電:恒流充電模式中，充電電流由PRDO腳與GND間的電阻RPROG確定。AP5056進(jìn)入恒流充電模式中后，將一直按設(shè)定的電流值保持充電，直到電池慢慢到達(dá)電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)4. 2V,轉(zhuǎn)而進(jìn)入恒壓充電。恒壓充電:在電池電壓慢慢接近4. 2V時(shí)，充電器就漸漸轉(zhuǎn)為恒壓充電。此時(shí)原先的恒流充電電流也慢慢減小，并隨著電池容量越來越接近最大容量而急劇下降。充電完成與再充電:當(dāng)充電電流被探測到減小至恒流充電電流的10%后，充電器終止向電池充電，進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，

28、AP5056會(huì)繼續(xù)檢測電池端的電壓，如果電池電壓降到4. 05V以下，則充電器將再次向電池充電?？删幊痰某潆婋娏?AP5056的充電電流由連接在PRDO腳與GND之間RPROG電阻來確定，計(jì)算公式如下:1BAT=(VPROG/ RPROG)·1000 3-1因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的需要得到一個(gè)1A的充電電流，根據(jù)公式得到1A=(1/ RPROG) ·1000, 解方程式得VPROG=1000，即VPROG=1 K。下圖顯示了RPROG為1K和2K時(shí)，不同的電源輸入Vcc與充電電流Ibat之間的關(guān)系，可以看到充電輸出電流基本沒有很大變化，只與RPROG的設(shè)定值有關(guān)系。圖5 Vcc與充電

29、電流Ibat之間的關(guān)系 芯片熱保護(hù)功能利用晶體管PN結(jié)的導(dǎo)通電壓隨溫度升高而降低，而其變化值隨溫度的升高而增加的特性，AP5056設(shè)計(jì)了集成于芯片內(nèi)部的過熱保護(hù)功能。當(dāng)內(nèi)部溫度傳感器升至約125以上時(shí)，內(nèi)部的熱保護(hù)電路將自動(dòng)減小充電電流的電流值，隨著溫度的不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到145的時(shí)候，則可完全關(guān)閉充電電流。該功能可以讓用戶放心使用最大功率的充電電流而無需擔(dān)心芯片被損壞。3.4 DC-DC升壓電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中是采用脈沖幅度變調(diào)方式(PWM)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗哂械拖碾娏鞯奶攸c(diǎn)。以往采用 PFM 方式的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，在輸出負(fù)載電流低時(shí)脈沖被跳過，因此輸出電壓的紋波頻率會(huì)

30、產(chǎn)生變化，存在著使紋波電壓増大的缺點(diǎn)1011。電路圖如下：圖6 S-8355升壓電路如圖所示為并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路中的換能電路，輸入電壓為聚合物電池直流供電電壓，晶體管為Q2為開關(guān)管，電感L1和電容C6組成濾波電路，D2為續(xù)流二極管。Q2管的工作狀態(tài)受S-8355的控制。當(dāng)EXT為高電平時(shí)，Q2飽和導(dǎo)通，BAT+通過Q2給電感L1充電儲(chǔ)能，充電電流幾乎線性增大，D2因承受反壓而截止；濾波電容C6對(duì)負(fù)載電阻放電。當(dāng)EXT為低電平時(shí)，Q2截止，L1產(chǎn)生感生電動(dòng)勢，其方向阻止電流的變化，因?yàn)榕cBAT+同方向，兩個(gè)電壓相加后通過二極管D2對(duì)C6充電。因此，無論Q2和D2的狀態(tài)如何，負(fù)載電流方向始終不變。

31、只有當(dāng)L1足夠大時(shí)，才能升壓；并且只有當(dāng)C6足夠大時(shí)，輸出電壓的脈動(dòng)才可能足夠??；當(dāng)EXT得周期不變時(shí)，其占空比愈大，輸出電壓將愈高。OFF ON/ 端子 (開/關(guān)控制端子) 停止或者啟動(dòng)進(jìn)行升壓工作。 設(shè)定 OFF / ON 端子為“L”電位時(shí)，停止內(nèi)部電路的全部工作，因此可大幅度地抑制消耗電流。為了使紋波電壓變小，選用的電容器的容量要大在，并且R2要小。 外圍器件的選擇1. 電感器 電感值(L值)對(duì)最大輸出電流()和效率()產(chǎn)生很大的影響。其關(guān)系如圖下：圖7 S-8355不同電壓輸出電流與效率特性圖L值變得越小，峰值電流()就變得越大，提高電路的穩(wěn)定性并使増大。接著，若使L值變得更小，會(huì)降

32、低效率而導(dǎo)致開/關(guān)切換晶體管的電流驅(qū)動(dòng)能力不足，促使逐漸減少。 L值逐漸變大時(shí)，開/關(guān)切換晶體管所引起的功耗也隨之變小，達(dá)到一定的L值時(shí)效率變?yōu)樽畲蟆＝又?，若使L值變得更大，因線圈的串聯(lián)電阻所引起的功耗變大，而導(dǎo)致工作效率的降低。也會(huì)減少。 因?yàn)檎袷庮l率較高的產(chǎn)品可以選擇L值較小的產(chǎn)品，因此可使線圈的形狀變小。此外，在選用電感器時(shí)，若電感器流入超過此容許電流的電流，會(huì)引起電感器處于磁性飽和狀態(tài)，而明顯地降低工作效率并導(dǎo)致IC的破損。2. 電容器 輸入端電容器可以降低電源阻抗，另外可使輸入電流平均化而提高效率。輸出端電容器是為了使輸出電壓變得平滑而使用的，升壓型的產(chǎn)品因?yàn)獒槍?duì)負(fù)載電流而斷續(xù)地流入

33、電流，與降壓型產(chǎn)品相比需要更大的電容值。在輸出電壓較高以及負(fù)載電流較大的情況下，紋波電壓會(huì)變大。 3. 外接晶體管 外接晶體管可以使用增強(qiáng)(N溝道)MOS FET 型或者雙極(NPN)型產(chǎn)品。 由于所外接的功率MOS FET的門極電壓以及電流，是由升壓后的輸出電壓()來供應(yīng)，因此可以更有效地驅(qū)動(dòng)MOS FET。因所選用的MOS FET的不同而異，在接通電源時(shí)有可能流入較大的電流。另外，MOS FET 的通態(tài)電阻依靠輸出電壓()與 MOS FET 的閾值電壓的電壓差，因此會(huì)對(duì)輸出電流量以及效率產(chǎn)生影響。3.5 聚合物電池保護(hù)電路設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣

34、技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護(hù)電路。進(jìn)線電源過壓及欠壓對(duì)開關(guān)電源造成的危害，主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓及電流應(yīng)力超出正常使用的范圍而損壞，同時(shí)因電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿足要求。因此對(duì)輸入電源的上限和下限要有所限制，為此采用過壓、欠壓保護(hù)以提高電源的可靠性和安全性121314。因此保護(hù)電路是必須的，本設(shè)計(jì)電路圖如下：圖8 鋰電保護(hù)電路 該電路主要由鋰電池保護(hù)專用集成電路S-8261充、放電控制MOSFET1（內(nèi)含兩只溝道MOSFET）等部分組成。在充電過程中

35、，當(dāng)單體電池的電壓超過4.35V時(shí)，專用集成電路S-8261的CO腳輸出信號(hào)使充電控制MOSFET關(guān)斷，鋰電池立即停止充電，從而防止鋰電池因過充電而損壞。放電過程中，當(dāng)單體電池的電壓降到2.30V時(shí)，S-8261的DO腳輸出信號(hào)使放電控制MOSFET關(guān)斷，鋰電池立即停止放電，從而防止鋰電池因過放電而損壞，S-8261的VM腳為電流檢測腳，輸出短路時(shí)，充放電控制MOSFET的導(dǎo)通壓降劇增VM腳電壓迅速升高，S-8261輸出信號(hào)使充放電控制MOSFET迅速關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)過電流或短路保護(hù)11。3.6 電阻分壓采樣電路采樣電路如圖9：圖9 電阻分壓采樣電路此電路輸出端是5V電壓，信號(hào)比較小，考慮到成本

36、以及設(shè)計(jì)的要求問題就用了電阻采樣，大電壓可以用互感器。3.7 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)3.7.1 單片機(jī)SN8P2711A簡介單片機(jī)采用SN8P2711A15，它具有喚醒功能的端口:PO電平觸發(fā)。內(nèi)置上拉電阻端口。3級(jí)低電壓檢測系統(tǒng)(LVD)系統(tǒng)復(fù)位，監(jiān)控系統(tǒng)電源。5個(gè)中斷源，3個(gè)內(nèi)部中斷:TCO、TC1、ADC。2個(gè)外部中斷:INT0、 INT1。強(qiáng)大的指令系統(tǒng)： 單時(shí)鐘系統(tǒng)(1T)。大部分指令只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。跳轉(zhuǎn)指令JMP可在整個(gè)ROM區(qū)執(zhí)行。調(diào)用指令CALL可在整個(gè)ROM區(qū)執(zhí)行。查表指令MOVC可尋址整個(gè)ROM區(qū)。5+1通道12位ADC。5個(gè)外部ADC輸入。一個(gè)內(nèi)部電池檢測。 內(nèi)部AD參考

37、電壓(VDD、 4V、3V、2V)。兩個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器TCO:自動(dòng)裝載定時(shí)器/計(jì)數(shù)器/PWMO/ Buzzer輸出。 TC1:自動(dòng)裝載定時(shí)器/計(jì)數(shù)器/PWM1/ Buzzer輸出。其時(shí)鐘源山內(nèi)部低速RC振蕩器提供 (16KHz 3V, 32KHz 5V)令雙時(shí)鐘系統(tǒng)。外部高速時(shí)鐘:RC模式，高達(dá)10 MHz。 外部高速時(shí)鐘:品體模式，高達(dá)16MHz。內(nèi)部高速時(shí)鐘:RC模式，高達(dá)16MHz。內(nèi)部低速時(shí)鐘:RC模式，16KHz(3V), 32KHz(5V)。3.7.2 單片機(jī)引腳圖及功能引腳圖如下：圖10 單片機(jī)引腳圖引腳功能：引腳名稱類型功能說明VDD, VSSP電源輸入端。P0.4/RST/

38、VPPI 、PP0.4:禁止外部復(fù)位時(shí)為單向輸入引腳，施密特觸發(fā)，無內(nèi)置上拉電阻，作普通輸入引腳使用時(shí)，用戶需在單片機(jī)的P0.4外而串接一個(gè)100的電阻，具有喚醒功能。RST:系統(tǒng)復(fù)位輸入引腳，施密特結(jié)構(gòu)，低電平觸發(fā)，通常保持高電平。VPP: OTP燒錄引腳。P0.3/XINI/OP0.3:雙向輸入/輸出引腳，輸入模式時(shí)為施密特觸發(fā)，內(nèi)置上拉電阻，具有喚醒功能。XIN:使能外部振蕩電路(晶體/RC振蕩電路)時(shí)為振蕩信號(hào)輸入引腳。P0.2/XOUTI/OP0.2:雙向輸入/輸出引腳，輸入模式時(shí)為施密特觸發(fā)，內(nèi)置上拉電阻，具有喚醒功能。XOUT:使能外部晶體振蕩器時(shí)為振蕩器輸出引腳。P01:0/I

39、NT1:0I/O雙向輸入/輸出引腳，輸入模式時(shí)為施密特觸發(fā)，內(nèi)置上拉電阻，具有喚醒功能。外部中斷觸發(fā)引腳(施密特觸發(fā))。TC1/TC0事件計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸入引腳。P4.0/AIN0/VREFHI/OP4.0:雙向輸入/輸出引腳，非施密特觸發(fā)，內(nèi)置上拉電阻。AIN0: ADC輸入通道。VERFH: ADC參考申壓的高申平輸入引腳。P4.4:1/AIN4:1I/OP4 4:1:雙向輸入/輸出引腳，非施密特觸發(fā)，內(nèi)景上拉電阻。AIN4:1: ADC輸入通道。P54:3/BZ1:0/PWM1:0I/O雙向輸入/輸出引腳，輸入模式時(shí)為施密特觸發(fā)，內(nèi)置上拉電阻。Buzzer輸出引腳/PWM輸出引腳。 3.7

40、.3 單片機(jī)控制電路 單片機(jī)控制電路如圖11：圖11 單片機(jī)控制電路DC運(yùn)用中一般都采用電池供電，當(dāng)電池電壓過低或單片機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)電壓可能跌落并進(jìn)入死區(qū)。這時(shí)，電源不會(huì)進(jìn)一步下降到 LVD檢測電壓，因此系統(tǒng)維持在死區(qū)。所以此電路中用XC62063低壓差大電流穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓。單片機(jī)P4.2口為電壓采樣接收端，接收到的采樣電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換控制LED1、LED2、LED3、LED4的發(fā)光狀態(tài)以提示電量，工作狀態(tài)如下表：工作模式內(nèi)置電池狀態(tài)LED1LED2LED3LED4放電模式BAT3.2V3.2BAT3.5V3.5BAT3.7V3.7BAT3.95V3.95BAT閃5s待機(jī)亮亮亮亮滅滅亮亮

41、亮滅滅滅亮亮滅滅滅滅亮充電模式BAT3.4V3.4BAT3.8V3.8BAT4.0V4.0BAT4.25V4.25BAT亮亮亮亮亮滅滅亮亮亮滅滅滅亮亮滅滅滅滅亮P4.1口控制S-8355升壓芯片的工作狀態(tài)。P4.1口控制整個(gè)電路的輸出。開關(guān)控制電路圖如下：圖12 開關(guān)電路長按K1開關(guān)控制Q3 MOS FET的導(dǎo)通與截止，當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)，R6端為高電位從而實(shí)現(xiàn)Q1的導(dǎo)通。P0.0口控制聚合物電池充電電路。當(dāng)CE為5V電壓時(shí)，AP5056開始工作實(shí)現(xiàn)聚合物電池的充電回路，當(dāng)CE端為0V電壓時(shí)，AP5056處于休眠狀態(tài)。3.8 負(fù)反饋控制PWM實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能電路 為了讓輸出電壓穩(wěn)定設(shè)計(jì)負(fù)反饋穩(wěn)壓電路16

42、如圖13：圖13 LM358負(fù)反饋穩(wěn)壓電路LM358在開關(guān)電源中起保護(hù)作用。LM358內(nèi)部是兩個(gè)電壓比較器A1、A2。在A1A2的正端分別接基準(zhǔn)電壓，負(fù)端分別接要保護(hù)的取樣電壓，當(dāng)取樣電壓有較大的變化時(shí)，A1A2輸出端FB的電平會(huì)做出相應(yīng)的變化，在輸出端控制S-8355升壓芯片來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。4.1 程序設(shè)計(jì)步驟 在系統(tǒng)硬件已經(jīng)確定的情況下，程序設(shè)計(jì)一般為: 分析問題：熟悉和明確問題的要求、已知條件及對(duì)運(yùn)算控制的要求，準(zhǔn) 確地規(guī)定程序?qū)⒁瓿傻娜蝿?wù)。 確定算法：根據(jù)設(shè)計(jì)問題的要求和指令系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇解決問題的方法。 設(shè)計(jì)程序流程圖：直觀、清晰地體現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)思想。 分配內(nèi)存單元：確定程序和數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址。 編寫源程序：根據(jù)流程圖和指令系統(tǒng)編寫源程序。 調(diào)試源程序：先將源程序通過匯編生成目標(biāo)文件，并消除語法錯(cuò)誤，然 后在用戶板上調(diào)試，達(dá)到預(yù)定要求。4.2 程序設(shè)計(jì)流程圖 本系統(tǒng)以SN8P2711單片機(jī)為控制核心，實(shí)時(shí)采樣，采樣電壓經(jīng)過LM358運(yùn)放反饋給