一种便携式多输出直流电源的设计

郑永烨,黄语湉

(1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院,南京 210044; 2.南京市第一中学国际部,南京 210000)

0 引言

直流电源作为电源的一种形式,具备便携、高效等优点,广泛应用于通信、电力、家用等场景,已成为电源研究的焦点[1]。近年来,手机、平板电脑及便携式测量仪器广泛应用,电子产品对自身的续航要求越来越高,调节输出电压大小、增加便携式电子设备的工作时间、延长电池使用寿命成为急需解决的问题[2]。为了满足对其性能、精度、规格、材料、类型、智能化操作等方面的要求,直流电源体积大幅度增加,便携性降低,输出电压难以控制,可靠性降低[3]。而许多利用开关电压调节器进行DC-DC变换的不间断直流电源,虽然提高了电源的便携性,但仍然存在纹波大、输出电压可调范围小的缺点,较强的纹波还会产生浪涌电压或电流,有可能烧毁用电设备[4-5]。

为了满足便携式电源管理系统整合与集成,降低纹波,实现电压输出可调的需求,设计了单芯片电源管理系统的新结构,包含3个模块,即USB输出模块,可调输出模块及电源充电管理模块。通过整合与集成,可有效降低便携式电源管理系统的开发及应用成本,减小过温、过放、过充对电源的损害,克服传统直流电源的缺点,具有很高的应用价值[6]。

1 核心芯片

1.1 MP2307

MP2307是一款单芯片同步降压调节器,集成100 m金属氧化物半导体场效应晶体管。MP2307使用电流模式控制来调节输出电压[7],使用电阻分压器在FB测量输出电压,通过内部跨导误差放大器放大,比较COMP引脚上的电压与开关电流,对输出电压进行控制。设计电路时,要尽量避免芯片内部单元引脚与外部驱动使用同一个电源,若不进行区分,驱动输出的电流峰值太高会导致芯片无法正常工作。电路设计时,还需考虑到电磁干扰对系统电路的影响,因此在合理布置元器件的前提下,输入端要尽可能远离输出端[8]。图1为MP2307芯片的引脚图[9]。

图1 MP2307芯片引脚图

1.2 SH367005S

SH36700X是一款锂电池保护控制芯片,对电流、电压及温度的监控采用内置高精度电压检测电路及延时电路。该系列芯片采用平衡功能,能够延长电池寿命,其中,SH367005S适用于保护3～5串锂电池组。

1.2.1 过充保护功能

SH36700X进入过充电保护状态的条件:电芯电压大于过充电保护电压VOV,电芯电压高于过充保护电压的持续时间大于过充电保护延时tOV。

结束过充电保护状态的条件:电芯电压小于过充电保护解除电压VOVR,电芯电压低于过充保护电压的持续时间大于过充电保护解除延时。

1.2.2 过放保护功能

SH36700X进入过放电保护状态的条件:电芯电压小于过放电保护电压VUV,电芯电压低于过放保护电压的持续时间大于过放电保护延时tUV。

结束过放电保护状态的条件:电芯电压均低于过放电保护解除电压VUVR,电芯电压均低于过放保护电压的持续时间大于过放电保护解除延时。

1.2.3 过流保护功能

SH36700X进入放电过流保护状态的条件:RS2-RS1电压高于放电过流1保护电压VDOC1(放电过流2保护电压VDOC2),RS2-RS1电压高于放电过防保护电压的持续时间超过放电过流1保护延时tDOC1(放电过流2保护延时tDOC2)。

结束放电过流保护状态的条件:移除负载(移除负载判断条件:VM管脚电压低于VVM),移除负载的持续时间大于放电过流保护解除延时tDOCR。

SH36700X进入充电过流保护状态的条件:RS2-RS1的电压小于充电过流保护电压VCOC,RS2-RS1电压低于充电过流保护电压的持续时间超过充电过流保护延时tCOC。

结束充电过流保护状态的条件:拔出充电器(充电器拔出判断条件:CHSE管脚电压高于VCHSE1),拔出充电器的持续时间大于充电过流保护解除延时tCOCR。

1.2.4 过温保护功能

当TS管脚外接温度电阻时,SH367005S能进行温度保护,包括充电高温保护及放电高温保护[10]。其过温保护状态转移如图2。

图2 温度保护状态转移

2 单芯片电源管理结构

针对便携式电源管理系统整合与集成需求,提出了单芯片电源管理系统的新结构。该结构包含A、B、C 3个模块。模块A是USB输出模块,模块B是可调输出模块,模块C是电源充电及管理模块。通过整合与集成,可有效降低便携式电源管理系统的开发及应用成本。

模块A由单片同步降压调节器MP2307电路与USB连接器组成,单片同步降压调节器MP2307将16.8 V输出转换成5 V至USB接口。图3为模块A的原理。

图3 模块A的原理

模块B由MP2307同步降压电路、DC输出端口、电压表构成,通过调节模块中的可调电阻R23控制输出电压,由DC输出端口输出,电压表检测输出电压。图4为模块B的原理。

图4 模块B的原理

模块C由滑动开关与发光二极管及SH367005S锂电池保护芯片、DC电源连接器、电池盒、电流表构成。采用滑动开关控制是否输出,发光二极管充当工作指示灯,红色指示灯亮表示电源输出正常。SH367005内置高精度电压检测电路与延时电路,进行电压、电流及温度监控,保证Pack安全。DC端口既能作为电池充电输入端,又能作为电池放电输出端。电量表监测电池剩余电量。图5为模块C的原理。

3 实验验证

3.1 PCB板3D视图及实物图

为了验证设计电源的可行性及性能,将电源控制及管理模块制作成PCB板,并将元器件焊接组装完成。PCB图与实物图如图6所示。

图6 直流电源PCB板正面与反面

3.2 输出性能验证

为了验证设计电源的输出性能,将一款常见的5 V 2 A规格的手机充电器(属于开关电源结构)与本设计进行对比测试。结果见表1、表2。

表1 设计电源的输出电压与纹波测试结果

表2 开关电源的输出电压与纹波测试结果

由表1和表2的测试结果可以看出,本电源设计与开关电源在同等负载条件下,输出电压更为稳定,输出电压纹波小。在1 A工作电流情况下,开关电源输出电压降低至4.64 V,比输出标称值5 V低0.36 V。本实用新型在1 A负载情况下输出电压仅比标称值5 V低0.02 V,输出电压更加稳定。同等负载条件下,设计电源的输出电压纹波比开关电源小很多,在1.5 A负载情况下,纹波大小仅为开关电源的1/36左右。

3.3 充放电时电流与电压稳定性验证

为了验证设计电源充放电时电流与电压的稳定性,进行充放电测试,结果见表3、表4。

表3 充电测试结果

表4 放电测试结果

由表3和表4可以看出,设计电源在充电测试中,恒流充电到电池电压达到一定值时,充电电流不断减小,直到电池充满,保证了电池充电安全。在放电测试中,恒流放电1 h,电池电压量下降到4.4 V左右,完全满足日常电池供电需求。

4 结论

以两块核心芯片为基础,设计了A、B、C 3个模块,即USB输出模块、可调输出模块与电源充电及管理模块,通过整合与集成制作了一款便携式多输出直流电源,利用MP2307同步降压电路、DC输出端口、电压表,通过调节模块中的可调电阻R23控制输出电压,由DC输出端口输出,实现了输出电压的可调节功能。利用SH367005S锂电池保护芯片实现过温、过放、过充保护功能,保证了电源长时间可靠工作,利用B模块的电压表与C模块的电量表实现了输出电压值、电池电量显示。