給你完整單電感移動電源的設(shè)計方案,提供硬件選型、軟件仿真以及測試結(jié)果分析
掃描二維碼
隨時隨地手機看文章
市面上移動電源中常使用2個電感,其中充電電路中,充電過程需要一個電感,Boost電路放電過程中也需要一個電感。充電電路的工作過程是通過5V的交流適配器給移動電源內(nèi)部的鋰電池充電;而Boost電路工作過程是將移動電源內(nèi)部鋰電池升壓到5V進(jìn)行輸出,從而給移動設(shè)備供電。但在移動電源實際工作中這兩種電路通常情況不需要同時工作,也就是工作中兩個電感只有一個電感處于工作狀態(tài),兩個環(huán)路只需要一個工作。
1.芯片工作原理
本文提出了一種單電感移動電源的方案,這樣不僅利于移動電源節(jié)省器件成本,還可節(jié)省設(shè)備體積,便于移動電源更小型化。使設(shè)備穩(wěn)定性更高,單電感移動電源電路如圖1所示:
圖1 電路中芯片工作電路
MT2011是來頡科技設(shè)計的一款高效率大電流單串聯(lián)鋰電池充電控制器。它支持4.5V~6.5V輸入電壓,輸出電壓可以跟隨鋰電池電壓,最大2A的充電電流,使用了高效率的同步整流結(jié)構(gòu),適合應(yīng)用于便攜式充電設(shè)備和移動電源充電。整合電流采樣電阻、高精度的電流與電壓管理電路、滿電自動停止充電。MT2011工作頻率為1.5MHz,使用同步整流結(jié)構(gòu),效率高達(dá)93%.帶有充電電流軟啟動、防反相電流二極管、充電電流采樣等功能,并帶有完善的輸出短路保護(hù)和過溫保護(hù)功能。
MT5036是來頡科技設(shè)計的一款95%高效的800KHz同步升壓轉(zhuǎn)換器,它為單節(jié)鋰電池或多節(jié)鋰電池組并聯(lián)提供了良好的供電解決方案。轉(zhuǎn)換器通過設(shè)置芯片外部FB分壓電阻或使用內(nèi)部FB分壓電阻來獲得一個穩(wěn)定輸出電壓。芯片轉(zhuǎn)換效率非常高,能提供足夠的負(fù)載電流,當(dāng)供電電壓下降到3V時,仍能在輸出電壓為5V時,輸出3A的負(fù)載電流,電感中的峰值電流被限制在6.6A.MT5036工作頻率可達(dá)800KHz,這使得電感和輸出電容都可以不用太大,并且?guī)в休p載PSM功能,可以保證芯片在全負(fù)載范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)換效率。擁有60uA的靜態(tài)電流,可以大大提高鋰電池的壽命,帶有低EMI工作模式,斷續(xù)工作時,可以有效減少振鈴,轉(zhuǎn)換器可以避免電池過放電,在關(guān)斷時負(fù)載可以完全與電池斷開。
SN8P2711是一顆采用高速低功耗CMOS工藝設(shè)計開發(fā)的8位高性能精簡指令單片機,內(nèi)部有1K×16位一次性編程ROM(OTP-ROM),64K×8位的數(shù)據(jù)寄存器(RAM),三個雙向I/O口,兩個8位定時器/計數(shù)器,兩個PWM/Buzzer模塊,多個系統(tǒng)時鐘,四種系統(tǒng)工作模式,一個五信道的十二位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及五個中斷源。這款單片機可以廣泛應(yīng)用于測量、電機控制、工業(yè)控制、家電玩具類產(chǎn)品等。
2.電路工作原理分析
電路的工作具體原理如下:電路工作分為兩個過程,一是外加5V電源對移動電源內(nèi)置鋰電池充電,二是移動電源對外接移動設(shè)備充電。
工作在第一種過程時,交流適配器或5V電源接在移動電源的Micro USB接口上,VIN為5V電壓時,R1與R2分壓產(chǎn)生USB信號送入單片機,單片機檢測到USB信號后,會將輸出EN信號拉低,禁止MT5036工作。MT2011上電后會檢測VCC的電壓,如果VCC電壓在可充電范圍內(nèi),充電芯片開始工作,對鋰電池按照浮充、快速充電、恒壓充電的過程開始充電,電感電流由SW到VCC充電。TS信號在默認(rèn)狀態(tài)下是高,如果外部電路讓TS強行拉低讓MT2011停止工作,D2是鉗位二極管,可以限制SW電壓最低在-0.6V.圖2為充電和放電過程信號和輸入輸出的時序圖。
圖2 電路圖中控制與時序關(guān)系
工作在第二個過程時,沒有交流適配器連接在USB2.0口連接被充電設(shè)備。即MT5036的VOUT只與被充電設(shè)備相連。電路會檢測到便攜設(shè)備是否連接在USB2.0端口,若插入設(shè)備或按啟動按鈕就會啟動MT5036,對設(shè)備進(jìn)行充電。電路中VCC通過R24(100K)與VOUT相連。
在移動電源輸出端口不連接設(shè)備時,VOUT電壓等于VCC電壓,此時MT5036的EN信號為低,芯片不工作。當(dāng)設(shè)備插入時,VOUT被設(shè)備瞬間拉低,單片機檢測到VOUT變低的瞬間降低,可以判斷設(shè)備已接入,將EN信號拉高,使能MT5036工作,對設(shè)備充電。當(dāng)EN變高,STAT信號就被強制拉低,這時可以禁止MT2011工作,保證充放電芯片最多一個工作。
MT5036工作時,電感電流由VCC到SW.R9為下拉電阻,保證由于某種原因EN懸空時,EN引腳可以接地,MT5036不會誤工作。R7與R8為FB的分壓電阻,通過這兩個電阻來設(shè)置MT5036的VOUT電壓。C9、C10、C11為輸出儲能電容,BOOST電路電感往輸出端電流不連續(xù),輸出電容容量應(yīng)盡量選大一些,在MT5036芯片中選用2個22uF貼片電容并聯(lián)。R14,R15為輸出電流采樣電阻,可以采樣MT5036的負(fù)載,用來判斷過載或者空載情況情況。
當(dāng)AMP信號電壓超過過載閾值時,單片機判斷為過載,此時將EN拉低,關(guān)段MT5036.當(dāng)AMP信號電壓低于0.1A負(fù)載閾值時,單片機判斷為空載,為防止效率耗散,40s后也將EN拉低,關(guān)段MT5036.輸出電壓與分壓電阻關(guān)系為:
當(dāng)移動電源工作于充電過程中,SW是VIN和GND的方波信號,VBAT引腳是MT5036的內(nèi)部供電引腳,此時VBAT引腳如果為電池電壓,此時會出現(xiàn)內(nèi)部漏電情況,可能會造成MT5036的損壞。由圖1(a)可看出,電源適配器5V輸入端(VIN)和鋰電池輸出端(VCC)均通過二極管連接到MT5036的VBAT引腳。這樣做可以防止芯片內(nèi)部漏電的情況。加入這兩個二極管后,MT5036的供電引腳會選取電壓大的一側(cè)作為供電電源,可以保證內(nèi)部MOS管有效關(guān)段。二極管類型最好選取肖特基二極管。
單片機在移動電源中起調(diào)節(jié)工作模式和保護(hù)的功能。單片機7號腳的SW1是移動電源輸出的開關(guān)。開關(guān)按下時,會拉高EN信號,使MT5036工作。4個LED燈用來顯示行動電源當(dāng)前電量和充放電狀態(tài)。SW1開關(guān)還可以通過長按讓移動電源手電筒功能打開。
3.實驗結(jié)果與分析
本文提出了一款單電感高效率移動電源設(shè)計方案已經(jīng)普遍應(yīng)用于市面上的移動電源中。使用1盎司銅厚雙層板PCB指標(biāo)已能達(dá)到使用要求。
圖4 放電狀態(tài)負(fù)載跳變時對輸出電壓的影響
隨電池電壓可變的占空比可以保持系統(tǒng)在輸入輸出范圍內(nèi)工作都是穩(wěn)定的,如圖3所示。SW占空比可以保持D=VOUT/VIN.整個系統(tǒng)是穩(wěn)定的由圖4可知,2A的負(fù)載跳變會引起低于100mV的輸出變化,為2%變化率,在移動電源芯片中表現(xiàn)是很好的。
在充電過程中,最高效率可以達(dá)到92%;在放電過程中,最高效率可以達(dá)到96%.所以用MT2011和MT5036兩款電源芯片可以使整體設(shè)備保持很高的效率。在芯片處于待命狀態(tài)工作時,靜態(tài)電流可以低達(dá)40uA,也就是說處于待命狀態(tài)180000小時,才會消耗行動電源25%的電量,所以,系統(tǒng)可以保持很長的壽命。
4.結(jié)論
在這篇文章中,通過對來頡科技兩款電源芯片的介紹和對整體電路工作狀態(tài)的介紹,描述了一種低靜態(tài)電流的充電升壓單電感應(yīng)用的移動電源設(shè)計方案。
系統(tǒng)可以在單電感(低成本)情況下,保持移動電源系統(tǒng)穩(wěn)定工作。并且可以保持高達(dá)96%的放電效率。40uA級別的低靜態(tài)電流使得行動電源擁有超長的壽命。此文介紹的單電感移動電源還帶有插入用電器自啟動功能,并且2A負(fù)載跳變(ipad插入或拔出)能夠保持在2%輸出精度。