便携式可充电多路输出电源设计

2014-09-25陈树成杨志勇王建佳

通信电源技术 2014年1期

陈树成，杨志勇，王科，王建佳

（1.成都信息工程学院电子工程学院，四川成都610225；2.中国华云气象科技集团公司，北京100081）

0 引言

随着科学技术的发展，各种便携式产品逐渐深入到人们日常生活的各个环节，如手机、平板电脑及各种测量仪器终端等。电池的待机性能逐渐成为制约各种终端产品发展的瓶颈，小型化、长工作时间也成为电源的内在要求［1］。笔者给出了一种可以与各种便携式仪器终端配合使用，利用太阳能或USB充电的高效多路输出的电源设计，该设计基于电流检测型的升压芯片MC33063、降压芯片TPS62064和锂电池充电管理芯片CN3065，具有外围电路简单、体积小、转换效率高、可靠性高等优点，适用于各类中小功率便携式仪器设备。试验及测试结果表明，该电路具有良好的性能和很高的应用价值。

1 系统工作原理

系统的总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

从图1可以看出，太阳能电池板或标准USB端口通过充电保护电路给锂电池充电，只要锂电池的电压未处于饱和状态，在连接太阳能电池板或USB的时候，就会对锂电池进行充电；锂电池通过升压电路进行升压，升压数值确定为常用供电电压5 V和9 V，其中，5 V和9 V输出可以通过拨码开关进行选择；通过降压电路将电压降为常用单片机的标准供电电压3.3 V；其中升压和降压都会使储存的电能发生损耗，所以通过物理开关或者需要连接使用CPU的IO进行控制，只对需要使用的电压进行电压转换，保证了电池电量的有效利用。电压输出端口将可选的升压值5 V／9 V、降压值3.3 V和锂电池自身都进行引出，以满足不同场合的使用需求。

2 电路设计

2.1 升压控制电路

MC33063是单片双极型线性集成电路，片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出控制开关，能输出1.5 A的开关电流。该系列控制芯片可应用于升压、降压和倒相应用的设计中，应用时外围元器件较少，是比较理想的升压控制芯片［2］。其特点是：输入电压范围3.0 V～40 V，输出电压可变，低待机电流，短路电流保护，输出的开关电流为1.5 A，最高工作频率100 k Hz，参考电压精度为2%［3］。所设计的升压电路如图2所示。

图2 升压控制电路

当图2中三极管Q3的基极所接电阻R5左端控制端口BOOST＿CONTROL为低时，三极管发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大区，相当于集电极与发射极连通，集电极处BOOST＋电压近似等于电池电压Li＋，升压电路开始工作；当BOOST＿CONTROL为高时，三极管工作在截止区，三极管的发射极和集电极之间几乎没有电流，相当于BOOST＋和Li＋之间断开，升压电路停止工作。这样通过一个电子开关，就可以控制升压的打开与关闭，该开关可以用一般的物理开关来实现，也可以通过与其他设备CPU的IO端口相连接，通过置0和置1来控制升压的打开与关闭。

根据所需要的电压值进行推导计算，输出电压UOUT1＝1.25（1＋R7／R9），取 R7＝62 kΩ，R9＝20.5 kΩ的精度为1%的电阻，经过计算可得UOUT1＝5.03 V；同理UOUT2＝1.25（1＋R7／R8），取R7＝62 kΩ，R8＝10 kΩ精度为1%的电阻，经过计算可得UOUT2＝9.00 V，在达到预期结果的同时，5 V与9 V输出电压的分压电阻均选择R7＝62 kΩ（如图2所示），对于两种输出电压值可利用拨码开关来选择相应的另一个分压电阻。为了保证两种输出电压值的所有其他参数都相同，两种升压的工作频率不同。定时电容C8决定内部的工作频率，C8＝0.00004Ton（Ton为开关管的导通时间），开关峰值电流Ipk＝2Iout（1＋Ton／Toff），其中Iout为负载输出电流，Toff为开关管的截止时间；限流电阻R6＝0.33／Ipk；电感的最小值 Lmin＝Ton［（Uin（min）－Usat）／Ipk］，Uin（min）为输入电压 BOOST＋的最小值，Usat为输出开关的饱和电压，在本式中取1；滤波电容C6＝9IoutTon／Upp，Upp为输出电压的纹波；二极管选择功耗低开关效率较高的肖特基二极管IN5819。电路中还使用了电感L2和大容量电容C7对输出电压进一步滤波，以得到较稳定的输出电压。

2.2 降压控制电路

考虑到本设计可能会为常用的单片机系列产品供电，而常用的单片机如51系列、AVR和MSP430等的供电均为标准的3.3 V，所以设计了锂电池转3.3 V降压电路。该电路基于TI公司的TPS62046芯片。TPS6204X系列芯片是高效率同步降压的DC－DC转换器，非常适合于电池供电的便携式应用，尤其是单节锂电池供电的设备。其输出电压为0.7 V～6.0 V，可以支持内含DSP处理器的低电压PDA设备、掌上电脑和小笔记本。TPS6204X系列工作在固定的开关频率1.25 MHz，在整个负载电流范围内都能进入省电模式并且保持较高的转换效率。对于低噪声的应用设备，该器件可以通过拉高MODE脚进入固定频率的PWM模式。其主要特性是：高达95%的转换效率，典型静态电流18μA，输出电流1.2 A，输入电压2.5 V～6.0 V，固定开关频率1.25 MHz，内部软启动，可调整输出电压和短路保护［4］。

降压控制电路如图3所示。

图3 降压控制电路

虽然该电路具有内部使能启动功能，但是考虑到有时不接CPU使用，所以TPS62046的使能引脚EN始终拉高，由三极管来控制降压电路的打开与关闭。当图3中三极管Q4的基极所接电阻R11的左端控制端口STEPDOWN＿CONTROL为低时，集电极与发射极连通，集电极出STEPDOWN处电压近似等于电池电压Li＋，降压电路开始工作；当STEPDOWN＿CONTROL为高时，相当于STEPDOWN和Li＋之间断开，降压电路停止工作。其控制和升压电路的控制基本相同，不再赘述。

该电路中的电感为TPS6204 X系列芯片所使用的标准6.2μH，更大或更小的电感值可以用来优化特定操作条件下该设备的性能。所选择的电感具有其直流额定电阻和饱和电流，电感的直流电阻直接影响转换效率，因此应选择具有最低直流电阻的电感以得到最高的转换效率［4］。综上选择Su mida的型号为CDRH5 D28－6R2的电感。

TPS6204X系列的降压转换器具有输入电流波动，所以应选择具有低等效串联电阻的输入电容，以达到良好的滤波效果，排除电压尖峰干扰。输入电容的最低值应为22μF，可以适当提高输入电容达到更好的滤波效果［4］。电容可以为电解电容、钽电容或者高品质的叠层陶瓷电容。测量得出，330μF的钽电容具有更好滤波效果。输出端的滤波电容最低值同样为22μF，为了能够提供更大的负载电流，输出电容尽量选取较大值，测量得出470μF的钽电容作为输出电容能够得到1.15 A的大电流，输出电压值为3.31 V。

2.3 锂电池充电电路及保护电路

2.3.1 锂电池充电电路

CN3065是用太阳能板供电的单节锂电池充电管理芯片。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。内部的8位模拟－数字转换电路，根据输入电压源的电流输出能力自动调节充电电流，使用时不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能板等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为4.2 V，也可以通过一个外部的电阻调节。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3065自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3μA。其他功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态／充电结束状态指示等功能［5］。

CN3065充电电路如图4所示，本设计中的充电电路选择4.2 V恒压充电。图4中SUN和USB分别接5 V太阳能正输入端和USB正输入端，由两个二极管隔离，当不接USB时，只由太阳能电池板提供充电电压，反之亦然。当接USB并且太阳能电池板也工作时，选择较高的电压作为充电电压。

图4 锂电池充电管理电路

当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时，CN3065开始对电池充电，CHRG 管脚输出低电平，表示充电正在进行，同时红色发光二极管D3亮；如果电池电压检测输入端（FB）的电压低于3 V，充电器用小电流对电池进行预充电；当电池电压检测输入端（FB）的电压超过3 V时，充电器采用横流模式对电池充电［5］。充电电流ISET由ISET管脚和EGND管脚之间的电阻R13确定，ISET＝1 800 V／R13，ISET单位为安培，R13电阻单位为欧姆，本设计充电电流为900 mA，所以电阻R13的取值为2 000Ω。

当电池电压检测输入端（FB）的电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3065进入恒压充电模式。当输入电压大于4.45 V，并且充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束，CHRG管脚输出高电平，DONE管脚输出低电平，红色发光二极管D3灭，绿色发光二极管D2亮。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式［5］。另外，图4中接地端为EGND是考虑到下文中的充电保护电路。

2.3.2 锂电池充电保护电路

在充电管理电路的基础之上加装锂电池充放电保护电路，进一步确保锂电池不至过充电、过放电而损坏。锂电池充放电保护电路如图5所示。S－8261系列内置高精度电压检测电路和延迟电路，是用于锂离子、锂聚合物可充电电池的保护IC，该IC最适合于对1节锂离子或锂聚合物电池的过充电、过放电和过电流保护［6］。

图5 锂电池充放电保护电路

S－8261的作用是通过监测连接在VDD与VSS之间的电池电压及V M－VSS间的电压差而控制充电和放电。电池电压在过放电检测电压以上且在过充电检测电压以下，V M引脚的电压在充电检测电压以上且在过电流检测电压以下的情况下，充电控制用的FET和放电用的FET两端均打开（本设计充电用FET和放电用FET选择集成模块8205 A），这时可以进行自由的充电和放电。在电池放电状态下，由于放电电流在额定值以上，V M引脚的电压在过电流检测电压以上，且这个状态持续在过电流检测延迟时间以上的场合，关闭放电控制用FET停止放电。这个状态叫做过电流状态。电池电压在充电中超过过充电检测电压，保持在过充电检测延迟时间以上时，关闭充电用FET，停止充电，这个状态叫过充电状态。通常电池电压如果在放电中处于过放电检测电压之下，并且保持这个状态在过放电检测延迟时间以上时，将关闭放电控制用FET，停止放电，这个状态叫过放电状态。该充放电保护电路还能够进行充电器的检测和异常充电电流的检测［6］。图5中EB－是与图4中EB－相连，同时与图4中EGND连接，起到充放电保护作用。

电路中电阻R1至少为300Ω，本设计中采用470 Ω；VDD与VSS之间的电容如果小于0.022μF，在负载短路检测时DO有可能发生振荡，所以电容C1一定要大于0.022μF，设计电路中采用0.1μF的典型值；为控制充电器逆连接时的流经电流，应尽可能选取较大的电阻值，设计中选取2 kΩ。

3 测试结果

对设计的电路进行测试，得到如下测试结果：对于5 V的升压，输出电流为265 mA，输出电压的纹波峰值为65.5 mV，纹波系数为1.30%，转换效率为84.2%；对于9 V的升压，输出的电流数值为152 mA，输出电压的纹波峰值为95.2 mV，纹波系数为1.06%，转换效率为81.7%；对于3.3 V 的降压，输出电压的纹波峰值为45.1 mV，纹波系数为1.36%，转换效率为90.9%。对于充电电路，采用5 V／6 W的太阳能电池板，正午阳光充足的时候充电电流可达815 mA，满足快速充电的需求。

经测试，设计的5 V输出可以为手机正常充电，使5 V供电的传感器正常工作；9 V输出可以使得9 V供电设备正常工作；3.3 V输出能够为常用的单片机供电，如AT89C51系列，MSP430系列等；锂电池自身的输出能够驱动大电流供电设备正常工作，如GSM模块等。