软件版移动电源的设计

应惠明

摘 要：现如今，由于智能手机的普及随即产生了对手机移动电源的大量需求，手机移动电源（俗称手机充电宝以下简称移动电源）的基本功能就是提供电能输出为手机充电，并且要求储能高体积小携带方便，其自身具备可充电功能可以反复使用。

关键词：移动电源；软件；电池

1 移动电源的基本构成

移动电源的基本构成包括可充电电池组，充电控制电路（对移动电源充电），输出电路（移动电源输出对手机充电），各种保护电路等。由于高能效体积比的要求电池组目前基本上都是采用可充电锂电池组包括锂离子电池组和聚合物电池组，二种电池组尺寸形状不同性能基本相当使用量也相当。移动电源的技术关键在于电路，其电路实现方法有多种，基本可分为硬件版和软件版二种类型，现简单介绍二种类型的特点和优缺点：

关于硬件版：其特点是各电路全部使用硬件电路实现，充电控制电路使用充电控制芯片，充电控制芯片常用的有TP4056，CHK0501等，一般充电电流只能做到1A以下，充电电流过大会造成发热厉害，由于体积空间小散热成问题；输出电路使用单独的DC-DC转换电路，其优点是响应速度快电压特性好，缺点是静态功耗大，也即自耗电大；电源的电量指示没有或者要另加电路；无附属功能；保护电路要根据要求单独设立，这样元件较多。

关于软件版：其特点是使用一个专用单片机来控制外围电路元件来实现，运用单片机的强大软件功能实现充电电路，输出电路，保护电路的三合一功能。充电和放电可以复用一个N+P的MOS管，充电和放电可以复用同一个电感线圈，再配合检流电阻可以实现各种保护功能。其特点是充电电流大，功能强，元件少，静态功耗小，自带电池电量指示，附带手电筒功能，缺点是软件响应速度比不上硬件，要克服该缺点就要在软件处理上下功夫。

以下图1是硬件版移动电源的电路原理框图，图2是软件版移动电源的电路原理框图，方便做一个简单了解：

以上对移动电源做了一点简单介绍，接下来详细分析设计软件版的移动电源。

2 设计目的

设计一套适合移动电源应用的电路和配套软件，要求体积小重量轻，电流大，工作稳定可靠，具备过流保护，短路保护，电池过压欠压保护，带4灯LED电量指示，附带手电筒功能。

3 设计思路

根据以上的设计目的，采用专用MCU做软件版的移动电源最合适，MCU优选CHK8109，采用CD75电感4.7uH，主MOS管采用N+P的SI4606MOS贴片管，配合简单几个元件即可实现完整的功能。电路原理图见图03，该电路可以实现充电最大电流2A，输出最大电流2.5A，效率>=90%，充电自适应充电，输出自动限流，短路自动保护，去短路后自动恢复，电池过充过放自动保护，具备负载自动检测电路，静态功耗极低。以下对各功能电路作详细分析：

（1）充电电路原理：见图3充电部分由以下元件构成，C1，D1，U2，L1，R6，R14，R15受U1 MCU控制，C1为充电输入滤波电容；D1为防反二极管；U2，L1与输出电路共用受MCU的14脚PWM2控制，实现PWM开关式充电；R6是充电检流电阻，R6，R7，R8，C7为充電及输出共用的检测电流及滤波电路；MCU通过7脚检测来自R14，R15的充电输入电压来判定有无充电器插入，当有充电器插入时MCU的7脚电平变高，MCU随即通过14脚PWM2输出PWM开关信号到U2的MOSFET-P管，控制P管的通断实现开关式充电，U2的MOSFET-N管处于关断状态但在此时N管的自身的体二极管正好充当开关电路的续流二极管（见图4），与电感L1一起实现高效开关换能，充电电流大发热小损耗低，充电电流的大小由MCU通过10脚检测R6的压降来控制，由于采用MCU控制PWM开关式充电，MCU自动检测充电器的电压及充电压降实现自适应充电，通用高功率充电器或小功率充电器，本电路自适应。

（2）输出电路原理：见图3输出部分由以下元件构成， U2，L1，C3，

C4，C2，Q3，R7，R9受U1 MCU控制，C3，C4，C2为输出滤波电容；Q3为输出打开关闭控制管；R7是输出检流电阻；U2，L1受MCU的1脚PWM1控制和14脚PWM2控制，实现同步式PWM开关式DC-DC转换；当MCU的9脚通过R9检测到输出有负载时可以自动启动5V输出给手机充电（或者通过按一下按键开关也可以启动输出），其工作模式为同步式DC-DC转换，通过L1，U2将电池的电源转换为5V标准USB电压输出给手机，其中U2的MOSFET-N管为主开关管，U2的MOSFET-P管为同步续流管，P管的体二极管同时兼作同步转换间隙时的续流管用（见图4），同步转换的原理就是N管P管轮流导通而且要保持好转换的上升下降沿间隙防止共态导通，这样的同步转换电路效率可以达到90%以上，而且电路受MCU控制，MCU可以轻易检测负载功率大小输出电流大小及短路等，MCU通过软件控制实现输出功率限制电流限制短路保护，实现空载时自动延时关断省电，静态时电路仅MCU自耗电而MCU又可工作于休眠模式，本电路静态自耗电小于5微安。

（3）其它：本电路附带手电筒功能，MCU通过5脚输出控制手电筒的开启和关闭，按键双击即打开或关闭手电灯，按键单击为开启5V输出。本电路附带电池电量指示灯，4个电量指示灯指示4级电池电量，第1灯25%第2灯50%第3灯75%第4灯99%，指示灯控制脚和按键引脚共用采用MCU扫描方式工作，电池电量计算由MCU内部完成无需增加额外电路。U3 TL431为外置电压基准，为MCU提供2.5V基准电压，其工作也由MCU控制，静态时关闭省电。

（4）安全：本方案具有高可靠高安全性，锂电池组外加保护板为第一层保护，而MCU实现第二层的多重保护，MCU的保护包括充电时的过充过流过压保护，输出时的过流超载保护和短路保护，MCU的保护还包括手电筒灯延时1小时关断功能，当手电筒灯忘记关闭时1小时后自动关闭。

（5）特色：高效（充电及输出均为高效PWM转换）；简洁（电路设计多重元件充电及输出共用省成本又高可靠）；通用（自适应充电通用高功率或小功率充电器，输出自适应通过限流适应大小功率负载）；安全（多重保护）。