基于dc-dc轉(zhuǎn)換移動電源的研究與設(shè)計-畢業(yè)論文

1、<p>　　基于DC-DC轉(zhuǎn)換移動電源的研究與設(shè)計</p><p>　　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電源。因此本文設(shè)計了一款基于DC-DC升壓型移動開關(guān)電源的電路，該電路采用聚合物電池電源管理方案實現(xiàn)，能滿足5V移動設(shè)備的續(xù)航要求。電路中主要由臺灣遠(yuǎn)翔單片機AT8PC71A-06來控制鋰電池充電模塊的工作與休眠，實現(xiàn)鋰電池電量的檢測顯示以及

2、電源輸出的開關(guān)，同時也控制DC-DC升壓電路的工作與否。該設(shè)計主要是實現(xiàn)聚合物電池的充電以及放電。設(shè)計的主要理念是實現(xiàn)電能的高效率轉(zhuǎn)換。該移動開關(guān)電源具有輸出電壓紋波小，轉(zhuǎn)換效率高，最高轉(zhuǎn)換效率達到89%，具有良好的性能和負(fù)載調(diào)整能力。</p><p>　　關(guān)鍵詞：DC-DC轉(zhuǎn)換；開關(guān)電源； AT8PC71A；移動電源；</p><p>　　Research and design of D

3、C-DC conversiton mobile power</p><p>　　Abstract: 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 e

4、ndurance problem. This paper designs a circuit based 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

5、 battery and power output are mainly controlled by the microcontroller AT8PC71 lithium, meanwhile it control the wo</p><p>　　Keywords: DC-DC converter; switching power supply; AT8PC71A; mobile power;</p&

6、gt;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 概述1</b></p><p>　　1.1 DC-DC移動電源簡介1</p><p>　　1.2 DC-DC移動電源的發(fā)展與趨勢1</p><p>　　1.3 本文研究的意義3</p>

7、;<p>　　2 移動電源基礎(chǔ)4</p><p>　　2.1 移動電源的定義4</p><p>　　2.2 移動電源的適用范圍4</p><p>　　2.3 移動電源的技術(shù)5</p><p>　　2.4 移動電源工作原理5</p><p>　　2.5 電源電芯5</p>

8、<p>　　2.6 升壓系統(tǒng)6</p><p>　　2.7 充電管理系統(tǒng)6</p><p>　　2.8 移動電源的基本構(gòu)成6</p><p>　　3 移動電源硬件設(shè)計方案7</p><p>　　3.1 移動電源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)7</p><p>　　3.2 硬件設(shè)計框圖7</p&

9、gt;<p>　　3.3 鋰電池充電電路8</p><p>　　3.3.1 SLM6150電路工作過程9</p><p>　　3.3.2 芯片熱保護功能10</p><p>　　3.4 DC-DC升壓電路設(shè)計11</p><p>　　3.4.1 外圍器件的選擇11</p><p>　　

10、3.5 聚合物電池保護電路設(shè)計12</p><p>　　3.6 電阻分壓采樣電路14</p><p>　　3.7 單片機控制電路設(shè)計14</p><p>　　3.7.1 單片機SN8P2711A簡介14</p><p>　　3.7.2 單片機引腳圖及功能15</p><p>　　3.7.3 單片機

11、控制電路16</p><p>　　3.8 負(fù)反饋控制PWM實現(xiàn)穩(wěn)壓功能電路19</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案20</p><p>　　4.1 程序設(shè)計步驟20</p><p>　　4.2 程序設(shè)計流程圖20</p><p>　　4.3 單片機軟件控制工作說明21</p>

12、<p><b>　　5 總結(jié)23</b></p><p><b>　　[參考文獻]24</b></p><p><b>　　附 錄25</b></p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　1.1 DC-DC移動

13、電源簡介</p><p>　　DC-DC移動電源轉(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)備的動力心臟。DC-DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能直接影響到整個電子系統(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，電子產(chǎn)品正向多元化發(fā)展，對電源的設(shè)計要求變得越來越高。近幾十年

14、來，在微電子技術(shù)推動作用下，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)的一個重要分支。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，電源管理處于電源技術(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。這里主要有三點因素，基于此既能看到機遇，同時也顯示出極大的挑戰(zhàn)。一是便攜性需求增加，但對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

15、法實現(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，這就對電源管理芯片設(shè)計者們提出了新的要求，比如必須有待機狀態(tài)的電源管理，或者采用新的技術(shù)進一步減小芯片內(nèi)</p><p>　　1.2 DC-DC移動電源的發(fā)展與趨勢</p><p>　　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，因此對電源的

16、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%，并且這個比例在今后一段時間還將迅速增長，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。針對這些不同的應(yīng)用，性能管理、熱效能管理等都非常重要。在第十二屆國際集成電路研討會上也道出中國的半導(dǎo)體消費在未來的幾年內(nèi)仍將保持高速增長，到2010年中國芯片的產(chǎn)值將超過 100

17、0億美元，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，但是進步相當(dāng)迅速。比如國內(nèi)的圣邦微電子、長運通、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)注的重點也是MP3、MP4、手機等便攜式手持設(shè)備市場。臺灣地區(qū)進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年臺灣前七大電源管理芯片廠商</p&

18、gt;<p>　　開關(guān)電源是電源管理中非常重要的一員，被譽為“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)

19、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)和開關(guān)電源系統(tǒng)的集成技術(shù)三個發(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)都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，近年來數(shù)字電源也

20、初現(xiàn)端倪，據(jù)報道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PWM控制IC不斷優(yōu)化，這是針對隔離式DC-DC變換器而言的，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和</p><p>　　總之，高效、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。</p><p>　　1.3 本文研究的意義</p><p>　　隨著便攜式產(chǎn)品的增加，戶外電子產(chǎn)品在商旅、

21、長途旅行等用途上大功率的便攜式移動產(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)品也需要移動電源充電器，如迷你便攜音響，GPS等車載用品，需求量大！</p><p>　　記者在深圳深圳會展中心近期舉行的高交會了解到，很多國內(nèi)外的采購商還第一次接觸移動電源產(chǎn)品，這也是本次會展的一大亮點，采購商們一致認(rèn)為移動電源以后的普及度不亞于數(shù)碼相機等傳統(tǒng)數(shù)碼產(chǎn)品，觀展后很多采購商紛紛到華強北市場尋找移動電源貨源[6]。&l

22、t;/p><p>　　移動電源早在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，移動電源的發(fā)展將會推動電池行業(yè)的革新，電池電芯將會向高容量、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、機型更加輕薄小巧，但是實現(xiàn)這些特點都會加快電量的消耗，并須減小電池體積。為了滿足高端商務(wù)客戶和移動人群對數(shù)碼電子產(chǎn)品

23、的使用要求，移動電源的地位將會更加突出。 </p><p><b>　　2 移動電源基礎(chǔ)</b></p><p>　　2.1 移動電源的定義</p><p>　　移動電源一種集儲電、供電和充電功能于一體的便攜電池充電器。可以給手機、平板電腦、相機等數(shù)碼設(shè)備隨時隨地充電或待機供電。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

24、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電單元。區(qū)別于產(chǎn)品內(nèi)部配置的電池，移動電源，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，是可隨時隨地為手機、MP3、MP4、PDA、掌上電腦、掌上游戲機等多種數(shù)碼產(chǎn)品供電或待機充電的功能產(chǎn)品。</p><p&g

25、t;　　2.2 移動電源的適用范圍</p><p>　　隨著全球經(jīng)濟的快速發(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。</p><p><b>　　1、通用性</b></p><p>　　如筆記本電腦、平板電腦、手機、數(shù)碼相機、攝像機、便攜式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖設(shè)備、醫(yī)療保健設(shè)備等。</p>

26、;<p><b>　　2、實用性</b></p><p>　　它們都要用到電池，但這些設(shè)備的原配電池都會因為電池容量低而不能滿足設(shè)備的正常使用時間。當(dāng)出差或旅游時又是這些設(shè)備的工作高峰期，經(jīng)常在關(guān)鍵時刻電池沒有電了，特別是在手機正在打電話時，數(shù)碼相機正在拍照時，PSP游戲機玩的正起勁時，PDA正在工作時等等，讓您感覺很無奈和無助。此時移動電源能解決你的煩惱。</p>

27、<p><b>　　3、移動性</b></p><p>　　移動電源的移動性是指產(chǎn)品能在移動狀態(tài)下（例如旅游，開會，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、任何時間不受局限地給數(shù)碼產(chǎn)品供電或充電，真實地給人以踏實感，使生活和工作品質(zhì)得以提升。</p><p>　　2.3 移動電源的技術(shù)</p><p>　　移

28、動電源可以通過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)備移動電源一定要具備：短路、過充、過放、恒流、恒壓等保護措施，還應(yīng)有高性能電源管理技術(shù)不過對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電源，這個與移動電源本身實際的容量成正比。</p><p>　　2.4 移動電源工作原理 </p><p>　　儲電

29、介質(zhì)一般采用鋰電電芯，因為鋰電電芯體積相對小巧，容量大，市場流通廣，價格適中，被廣泛用于數(shù)碼產(chǎn)品。鋰電的電壓在2.7-4.2V之間，電壓隨著電量的下降而下降。而2.7-4.2V的電壓是不能直接給其它數(shù)碼產(chǎn)品充電的，因為數(shù)碼產(chǎn)品的鋰電電壓也是2.7-4.2V,同電位的電壓之間是不能充電的。所以移動電源向外輸出電能是必須要有升壓系統(tǒng)，把2.7-4.2V 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，移動電源不是一次性設(shè)備，它可

30、以反復(fù)使用數(shù)百次以上。所以當(dāng)移動電源電能使用完后，我們必須給移動電源充電。其原理和給手機充電一樣。連接到5V的USB電腦接口或USB充電器上即可給移動電源充電。所以移動電源內(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，自動調(diào)節(jié)充電電流。過程有：預(yù)充，恒壓充電，和浮充充電等。</p><p><b>　　2.5 電源電芯</b></p><p>　　常用的有

31、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

32、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。AAA 鎳氫電池：標(biāo)準(zhǔn)電壓1.2V 。容量相對較小。應(yīng)該廣泛，家用電器，玩家的等，也就是常見的干電池。</p><p><b>　　2.6 升壓系統(tǒng)<

33、;/b></p><p>　　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%，臺灣的在75-80%，美國的相對會高些86-95％。也有降壓方案的，效率比較高，但對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輸出移動電源上，但對技術(shù)要求很高。</p><p>　　2.7 充電管理系統(tǒng)</p><p>

34、;　　移動電源電池?zé)o電時也需要充電，為了體現(xiàn)移動電源的通用性充電一般設(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，都會由智能IC監(jiān)控整個充電過程。充電管理IC充電管理失效，會造成移動電源電池永久損壞，或燃燒甚至爆炸。目前低廉的移動電源多辦未使用智能充電保護IC[7]。</p><p>　　2.8 移動電源的基本構(gòu)成</p><p>　　移動電源采用聚合物電池作為中

35、心元件，首先給聚合物電池充電，因為電池成本比較高，而且為了提高系統(tǒng)的安全性要有一個充電管理系統(tǒng)。當(dāng)需要給便攜式設(shè)備充電時，聚合物電池放電，因為便攜式設(shè)備普遍輸入電壓為5V，所以有一個升壓系統(tǒng)[8]。移動電源的基本構(gòu)成如圖所示：</p><p>　　圖1 移動電源基本構(gòu)成</p><p>　　3 移動開關(guān)電源硬件設(shè)計方案</p><p>　　3.1 移動電源系統(tǒng)框

36、架結(jié)構(gòu)</p><p>　　本文論述的電路系統(tǒng)設(shè)計由四部分組成：充電管理電路、鋰芯容量指示電路、DC-DC升壓電路和鋰芯保護電路。如圖2：</p><p>　　圖2 硬件設(shè)計方案</p><p>　　由目前大眾的消費觀和需求，一個可以提高儲能效率的可移動充電電源成為一種值得去研究和設(shè)計的課題，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)計思

37、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行儲能隨身攜帶以方便便攜式設(shè)備的供電。</p><p>　　3.2 硬件設(shè)計框圖</p><p>　　硬件設(shè)計框圖如圖3所示：</p><p>　　圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖</p><p>　　該設(shè)計首先是將聚合物電芯進行儲能，此設(shè)計可以用大家常用的手機充電適配器進行5

38、V電壓充電，這時候就需要設(shè)計一個充電電路，充電過程中會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2.7-4.2V電壓進行DC/DC轉(zhuǎn)換成為所需要的5V手機充電電壓，將儲能電池的“粗電”轉(zhuǎn)化為“細(xì)電”以提高手機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)備撥動輸出開關(guān)就可以進行便攜式設(shè)備的充電了，充電過程主

39、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保護便攜式設(shè)備的電池和使其達到最大儲能。同時在電路中加有電量顯示LED燈，用戶可以在使用過程中隨時檢查電量。在電流充電過程中肯定要有過流過載和短路保護。</p><p>　　3.3 鋰電池充電電路</p><p>　　當(dāng)鋰電池放點到2.7V以下時需要對鋰電池進行充電，我采用圖4、5所示的方案：<

40、;/p><p><b>　　圖4充電輸入電路</b></p><p>　　圖5聚合物電池充電電路</p><p>　　方案中，采用的是圖4 mini-usb輸入5V，mini-usb接口與目前市面上的絕大多數(shù)手機的充電接口通用，具有廣泛的使用性，解決了充放電一條線的問題。</p><p>　　對鋰電池充電采用的是1A線性鋰離

41、子電池充電器SLM6150。SLM6150是一款單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。由于采用了內(nèi)部PMOSFET架構(gòu)，加上反倒沖電路所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對充電電流進行自動調(diào)節(jié)，以便在大功率操作或者高溫條件下對芯片溫度進行限制。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過一個電阻進行設(shè)定當(dāng)充電電流達到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時，SLM6150將自動停止充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓被拿掉時SLM6150自動進入一個低

42、電流狀態(tài)將電池漏電流降至2uA以下。SLM6150在有電源時也可以置于停機模式，以而將供電電流降至55uA。SLM6150的其他特點包括電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電和2個用于指示充電和結(jié)束的LED狀態(tài)引腳。</p><p>　　3.3.1 SLM6150電路工作過程</p><p>　　SLM6150是專為單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電而設(shè)計的線性充電器電路，利用芯片內(nèi)部的功率晶體管

43、對電池進行恒流和恒壓充電。充電電流可用外部電阻編程設(shè)定最大持續(xù)充電電流可達1A不許外加阻流二極管和電流檢測電阻。SLM6150包含2個漏極開路輸出狀態(tài)指示端，充電狀態(tài)指示端CHRG和電池故障狀態(tài)指示STDBY。芯片內(nèi)部功率管理電路在芯片溫度結(jié)溫超過145度時會自動降低充電電流，這樣不用擔(dān)心芯片損壞或者損壞其他電路。</p><p>　　當(dāng)輸入電壓大于電源低電壓檢測闕值，芯片使能端為高電平時，SLM6150開始對電

44、池進行充電，CHRG管腳輸出低電平，表示充電正在進行。如果電池電壓低于3V，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由Rprog決定。當(dāng)電池電壓接近4.2V時，充電電流逐漸減小，SLM6150進入恒壓模式。當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束闕值時，充電周期結(jié)束，CHRG端輸出高阻態(tài)，STDBY端輸出低電平。</p><p>　　充電結(jié)束闕值是恒流充電的電流的10%。當(dāng)電池電壓降到再充電電壓闕值以下時，SLM6150開始新的充

45、電周期。芯片內(nèi)部的高精度基的電壓基準(zhǔn)源，誤差放大器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確保電池端調(diào)制電壓精度在1%以內(nèi)，滿足了鋰離子電池和鋰聚合物電池精確充電的要求。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進入低功耗的睡眠模式，電池端的消耗電流小于3uA，從而增加了待機時間。如果將充電使能端CE置低電平，停止充電。</p><p>　　充電電流的設(shè)定是由一個連接在Rprog引腳與GND之間的電阻確定。該充電器的充電電流和電阻器

46、阻值的大小可以通過下面公式進行估算：Ibat=1200/Rprog我在方案中設(shè)計Rprog為1.5K，這樣恒流充電電流設(shè)定在0.8A。</p><p>　　充電終止：當(dāng)充電電流在達到最終懸浮電壓之后降至設(shè)定值的1/10時，充電被終止。該條件采用的是一個內(nèi)部濾波比較器對prog引腳進行檢測來監(jiān)控的，當(dāng)PROG引腳降至100mv以下的時間超過Tterm(一般為1.8ms)時，充電被停止，充電電流被鎖段。SLM6150

47、進入待機模式，此時電源輸入電流降至55uA（C/10終止在涓流充電模式和熱充電模式中失效）。</p><p>　　充電時，BAT引腳上的順便負(fù)載會使PROG引腳電壓在DC充電電流降至設(shè)定值的1/10之間短暫降至100mv一下。終止比較器上的1.8ms濾波時間（Tterm）確保這種瞬變性質(zhì)的負(fù)載不會導(dǎo)致充電過程過早停止。一旦平均電流降至設(shè)定值的1/10一下，SLM6150即終止充電循環(huán)。在這種狀態(tài)下，BAT引腳上的

48、所有負(fù)載都必須由電池來供電。</p><p>　　在待機模式中，SLM6150對BAT引腳電壓進行連續(xù)監(jiān)控。如果該引腳電壓降至4.05V的再充電門限（Vrechrg）一下，則另一個充電循環(huán)開始并在此向電池提供充電電流。</p><p>　　AP5056[9]在整個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。</p><p>　　

49、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，AP5056開始對一電池充電。AP5056先檢查電池的狀態(tài)。如果電池電壓高于3V，充電器則進入恒流充電;而如果電池電壓低于3V時，充電器則進入涓流充電模式。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1A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到3V后結(jié)

50、束，之后進入恒流充電階段。</p><p>　　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，直到電池慢慢到達電壓調(diào)節(jié)點4. 2V,轉(zhuǎn)而進入恒壓充電。</p><p>　　恒壓充電:在電池電壓慢慢接近4. 2V時，充電器就漸漸轉(zhuǎn)為恒壓充電。此時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

51、近最大容量而急劇下降。</p><p>　　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，進入低功耗的待機模式。</p><p>　　在待機模式下，AP5056會繼續(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。</p><p>　　可編程的充電電流:AP5056的充電電流由連接在PRDO腳與

52、GND之間RPROG電阻來確定，計算公式如下:</p><p>　　1BAT=(VPROG/ RPROG)·1000 3-1</p><p>　　因為本文設(shè)計的需要得到一個1A的充電電流，根據(jù)公式得到1A=(1/ RPROG) ·1000, 解方程式得VPROG=1000Ω，即VPROG=1 KΩ。</p><p>

53、　　下圖顯示了RPROG為1K和2K時，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。</p><p>　　圖5 Vcc與充電電流Ibat之間的關(guān)系</p><p>　　3.3.2 芯片熱保護功能</p><p>　　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

54、特性，AP5056設(shè)計了集成于芯片內(nèi)部的過熱保護功能。當(dāng)內(nèi)部溫度傳感器升至約125℃以上時，內(nèi)部的熱保護電路將自動減小充電電流的電流值，隨著溫度的不斷升高，當(dāng)溫度達到145℃的時候，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。</p><p>　　3.4 DC-DC升壓電路設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計中是采用脈沖幅度變調(diào)方式(PWM)的 DC

55、-DC 轉(zhuǎn)換器，因為它具有低消耗電流的特點。以往采用 PFM 方式的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，在輸出負(fù)載電流低時脈沖被跳過，因此輸出電壓的紋波頻率會產(chǎn)生變化，存在著使紋波電壓増大的缺點[10][11]。電路圖如下：</p><p>　　圖6 FP6291升壓電路</p><p>　　如圖所示FP6291是電流模式的升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。內(nèi)置0.2Ω功率MOSFET的PWM電路，使該穩(wěn)壓器高

56、節(jié)能。內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)也最大限度地減少了多達6個外部元件數(shù)量。誤差放大器的非反相輸入端連接到一個0.6V的精確的參考電壓，內(nèi)部軟啟動功能，可以減少浪涌電流。可以通過編程設(shè)定最大開關(guān)電流。</p><p>　　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，Q2飽

57、和導(dǎo)通，BAT+通過Q2給電感L1充電儲能，充電電流幾乎線性增大，D2因承受反壓而截止；濾波電容C6對負(fù)載電阻放電。當(dāng)EXT為低電平時，Q2截止，L1產(chǎn)生感生電動勢，其方向阻止電流的變化，因為與BAT+同方向，兩個電壓相加后通過二極管D2對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。只有當(dāng)L1足夠大時，才能升壓；并且只有當(dāng)C6足夠大時，輸出電壓的脈動才可能足夠小；當(dāng)EXT得周期不變時，其占空比愈大，輸出電壓將愈高。&

58、lt;/p><p>　　OFF ON/ 端子 (開/關(guān)控制端子) 停止或者啟動進行升壓工作。 設(shè)定 OFF / ON 端子為“L”電位時，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。</p><p>　　3.4.1 外圍器件的選擇</p><p><b>　　1. 電感器 </b>

59、;</p><p>　　電感值(L值)對最大輸出電流()和效率(η)產(chǎn)生很大的影響。其關(guān)系如圖下：</p><p>　　圖7 S-8355不同電壓輸出電流與效率特性圖</p><p>　　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，會降低效率而導(dǎo)致開/關(guān)切換晶體管的電流驅(qū)動能力不足，促使逐漸減少。 </p>

60、<p>　　L值逐漸變大時，開/關(guān)切換晶體管所引起的功耗也隨之變小，達到一定的L值時效率變?yōu)樽畲?。接著，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。也會減少。 因為振蕩頻率較高的產(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，若電感器流入超過此容許電流的電流，會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。</p><p>&

61、lt;b>　　2. 電容器 </b></p><p>　　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。</p><p>　　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)品因為針對負(fù)載電流而斷續(xù)地流入電流，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，紋波電壓會變大。 </p><p>&l

62、t;b>　　3. 外接晶體管 </b></p><p>　　外接晶體管可以使用增強(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MOS FET。因所選用的MOS FET的不同而異，在接通電源時有可能流入較大的電流。</p><p>　　另外，MOS FET 的通

63、態(tài)電阻依靠輸出電壓()與 MOS FET 的閾值電壓的電壓差，因此會對輸出電流量以及效率產(chǎn)生影響。</p><p>　　3.5 聚合物電池保護電路設(shè)計</p><p>　　評價開關(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)計多種保護電路，比如防浪涌的軟啟動，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路

64、、缺相等保護電路。進線電源過壓及欠壓對開關(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，同時因電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿足要求。因此對輸入電源的上限和下限要有所限制，為此采用過壓、欠壓保護以提高電源的可靠性和安全性[12][13][14]。因此保護電路是必須的，本設(shè)計電路圖如下：</p><p>　　圖8 鋰電保護電路</p><p>　　該電路主要由鋰電

65、池保護專用集成電路DW01充、放電控制8205A-6（內(nèi)含兩只P溝道MOSFET）等部分組成。在充電過程中，當(dāng)單體電池的電壓超過4.35V時，專用集成電路DW01的CO腳輸出信號使充電控制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，DW01的DO腳輸出信號使放電控制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，DW01的CSI腳為電流檢測腳，輸出

66、短路時，充放電控制MOSFET的導(dǎo)通壓降劇增CSI腳電壓迅速升高，DW01輸出信號使充放電控制MOSFET迅速關(guān)斷，從而實現(xiàn)過電流或短路保護[11]。</p><p>　　3.6 電阻電流采樣電路</p><p><b>　　采樣電路如圖9：</b></p><p>　　圖9 電阻分壓采樣電路</p><p>　　此

67、電路輸出端是5V電壓，信號比較小，考慮到成本以及設(shè)計的要求問題就用了電阻采樣，大電壓可以用互感器。</p><p>　　3.7 單片機控制電路設(shè)計</p><p>　　3.7.1 單片機AT8PC71A-06簡介</p><p>　　單片機采用AT8PC71A-0615]，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級低電壓檢測系統(tǒng)(LVD)系統(tǒng)復(fù)位

68、，監(jiān)控系統(tǒng)電源。5個中斷源，3個內(nèi)部中斷:TCO、TC1、ADC。2個外部中斷:INT0、 INT1。強大的指令系統(tǒng)： 單時鐘系統(tǒng)(1T)。大部分指令只需要一個時鐘周期。跳轉(zhuǎn)指令JMP可在整個ROM區(qū)執(zhí)行。調(diào)用指令CALL可在整個ROM區(qū)執(zhí)行。查表指令MOVC可尋址整個ROM區(qū)。5+1通道12位ADC。5個外部ADC輸入。一個內(nèi)部電池檢測。 內(nèi)部AD參考電壓(VDD、 4V、3V、2V)。兩個8位定時/計數(shù)器TCO:自動裝載定時器/計數(shù)

69、器/PWMO/ Buzzer輸出。 TC1:自動裝載定時器/計數(shù)器/PWM1/ Buzzer輸出。其時鐘源山內(nèi)部低速RC振蕩器提供 (16KHz @3V, 32KHz @5V)令雙時鐘系統(tǒng)。外部高速時鐘:RC模式，高達10 MHz。 外部高速時鐘:品體模式，高達16MHz。內(nèi)部高速時鐘:RC模式，高達16MHz。內(nèi)部低速時鐘:RC模式，16KHz(3V), 32KHz(5V)。</p><p>　　3.7.2

70、 單片機引腳圖及功能</p><p><b>　　引腳圖如下：</b></p><p>　　圖10 單片機引腳圖</p><p><b>　　引腳功能：</b></p><p>　　3.7.3 單片機控制電路</p><p>　　單片機控制電路如圖11：</p>

71、;<p>　　圖11 單片機控制電路</p><p>　　DC運用中一般都采用電池供電，當(dāng)電池電壓過低或單片機驅(qū)動負(fù)載時，系統(tǒng)電壓可能跌落并進入死區(qū)。這時，電源不會進一步下降到 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)壓器進行穩(wěn)壓。</p><p>　　單片機P4.2口為電壓采樣接收端，接收到的采樣電壓進行A/D轉(zhuǎn)換控制LED1、LED

72、2、LED3、LED4的發(fā)光狀態(tài)以提示電量，工作狀態(tài)如下表：</p><p>　　P4.1口控制S-8355升壓芯片的工作狀態(tài)。</p><p>　　P4.1口控制整個電路的輸出。開關(guān)控制電路圖如下：</p><p><b>　　圖12 開關(guān)電路</b></p><p>　　長按K1開關(guān)控制Q3 MOS FET的導(dǎo)通與

73、截止，當(dāng)Q3導(dǎo)通時，R6端為高電位從而實現(xiàn)Q1的導(dǎo)通。</p><p>　　P0.0口控制聚合物電池充電電路。當(dāng)CE為5V電壓時，AP5056開始工作實現(xiàn)聚合物電池的充電回路，當(dāng)CE端為0V電壓時，AP5056處于休眠狀態(tài)。</p><p>　　3.8 負(fù)反饋控制PWM實現(xiàn)穩(wěn)壓功能電路</p><p>　　為了讓輸出電壓穩(wěn)定設(shè)計負(fù)反饋穩(wěn)壓電路[16]如圖13：&l

74、t;/p><p>　　圖13 LM358負(fù)反饋穩(wěn)壓電路</p><p>　　LM358在開關(guān)電源中起保護作用。LM358內(nèi)部是兩個電壓比較器A1、A2。在A1A2的正端分別接基準(zhǔn)電壓，負(fù)端分別接要保護的取樣電壓，當(dāng)取樣電壓有較大的變化時，A1A2輸出端FB的電平會做出相應(yīng)的變化，在輸出端控制S-8355升壓芯片來達到穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

75、方案</p><p>　　4.1 程序設(shè)計步驟 </p><p>　　在系統(tǒng)硬件已經(jīng)確定的情況下，程序設(shè)計一般為: </p><p>　?、?分析問題：熟悉和明確問題的要求、已知條件及對運算控制的要求，準(zhǔn) </p><p>　　確地規(guī)定程序?qū)⒁瓿傻娜蝿?wù)。</p><p>　?、?確定算法：根據(jù)設(shè)計問題的要求和指令系

76、統(tǒng)特點，選擇解決問題的方法。 </p><p>　?、?設(shè)計程序流程圖：直觀、清晰地體現(xiàn)程序的設(shè)計思想。 </p><p>　　④ 分配內(nèi)存單元：確定程序和數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址。 </p><p>　　⑤ 編寫源程序：根據(jù)流程圖和指令系統(tǒng)編寫源程序。 </p><p>　?、?調(diào)試源程序：先將源程序通過匯編生成目標(biāo)文件，并消除語法錯誤，然 <

77、;/p><p>　　后在用戶板上調(diào)試，達到預(yù)定要求。</p><p>　　4.2 程序設(shè)計流程圖 </p><p>　　本系統(tǒng)以SN8P2711單片機為控制核心，實時采樣，采樣電壓經(jīng)過LM358運放反饋給升壓芯片進行穩(wěn)壓。同時采樣數(shù)據(jù)送到單片機進行處理從而完成當(dāng)前電壓、電流的測量。單片機將采樣的電壓通過4個LED燈顯示出來。系統(tǒng)主程序流程圖如圖所示： </p&g

78、t;<p>　　圖14 程序流程圖</p><p>　　4.3 單片機軟件控制工作說明</p><p>　　當(dāng)外接有5V適配器電源或者USB時，單片機控制AP5056給鋰電池充電，此時中斷移動電源輸出模塊。當(dāng)按鍵1s鍵入后，采樣電壓發(fā)送給單片機SN8P2711經(jīng)過處理控制LED1、LED2、LED3、LED4的工作，當(dāng)鍵入3s后單片機控制開關(guān)管停止或者開啟電源的輸出。&l

79、t;/p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　在一開始和指導(dǎo)老師研討定下這個論文題目的時候我覺得這不是很難，但從這段時間看的參考文獻和理的思路來看，原來還真不是這么簡單，從一開始的茫然到理出頭緒確實是一段艱苦的過程。在此非常感謝吳老師的悉心教導(dǎo)和指點以及舍友的幫助。</p><p>　　在設(shè)計中首先要有一個基本的電路框架然后

80、再考慮實際應(yīng)用中須考慮的問題加以完善，此電路能夠作為一個便攜式移動電源來工作，只要是5V電源供電，電流在1A以下基本上都可以進行充電，但是到目前的階段仍有可研究之處來完善它，問題如下：</p><p>　　1、有的設(shè)備不僅僅需要正負(fù)端輸入，在輸出端口數(shù)據(jù)線a、b也有起始電壓。</p><p>　　2、該電路能為電流≤1A的設(shè)備充電，大于此電流會進行保護，為了不影響電路的穩(wěn)定性和實現(xiàn)大電流輸

81、出可以設(shè)計兩端輸出，一個大電流，一個小電流。 </p><p>　　3、此電路可以增加一些擴展，實現(xiàn)它的多功能應(yīng)用，例如：驗鈔、照明。</p><p>　　4、為了增大其放電時間可以設(shè)計一個太陽板，這樣也不用擔(dān)心鋰電池沒電。</p><p>　　目前我認(rèn)為可研究的問題如上，我想在今后的發(fā)展中還有其他可研究的問題來提高其使用率和功能。</p><p

82、><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1] 陳盧, 石秉學(xué), 代鐵軍. 高效率高精度開關(guān)電源脈寬調(diào)制芯片的實現(xiàn)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1999.</p><p>　　[2] 電源管理IC如影隨形——各大芯片廠商戮力而為[J].電子測試,2006(03).</p><p>　　[3] 劉賢興. 新型

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