解读低功耗移动电源系统硬件电路

<[p] >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。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >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。<[p] >单片机控制电路<[p] >SN8[p] 2711A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SN8[p] 27llA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。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >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。[p] 4.0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。[p] 4.1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。[p] 4.2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。[p] 4.3和[p] 4.4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。[p] 0.0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。[p] 0.4口作为检测指示充满电的信号，当聚合物电池充满电时，A[p] 5056的STDBY端口输出低电平信号，送到[p] 0.4口检测，检测到低电平，控制[p] 0.0口输出低电平，从而使A[p] 5056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。<[p] >电池充电管理电路<[p] >充电管理电路采用芯片A[p] 5056，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，A[p] 5056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[p] 0.0端口，当CE为高电平时，A[p] 5056开始工作实现聚合物电池的充电，当CE端为低电平时，A[p] 5056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[p] 0.4引脚。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >DC—DC升压电路<[p] >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、[p] WM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。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >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[p] 4.0端子。当[p] 4.0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。<[p] >电池保护电路<[p] >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。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >采样反馈稳压控制电路<[p] >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。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >软件设计<[p] >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A[p] 5056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SN8[p] 27ll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。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >编辑点评：<[p] >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、M[p] 3、M[p] 4、数码相机等数码产品提供外置电源。