一種便攜式多輸出直流電源的設計

鄭永燁,黃語湉

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院,南京 210044; 2.南京市第一中學國際部,南京 210000)

0 引言

直流電源作為電源的一種形式,具備便攜、高效等優(yōu)點,廣泛應用于通信、電力、家用等場景,已成為電源研究的焦點[1]。近年來,手機、平板電腦及便攜式測量儀器廣泛應用,電子產品對自身的續(xù)航要求越來越高,調節(jié)輸出電壓大小、增加便攜式電子設備的工作時間、延長電池使用壽命成為急需解決的問題[2]。為了滿足對其性能、精度、規(guī)格、材料、類型、智能化操作等方面的要求,直流電源體積大幅度增加,便攜性降低,輸出電壓難以控制,可靠性降低[3]。而許多利用開關電壓調節(jié)器進行DC-DC變換的不間斷直流電源,雖然提高了電源的便攜性,但仍然存在紋波大、輸出電壓可調范圍小的缺點,較強的紋波還會產生浪涌電壓或電流,有可能燒毀用電設備[4-5]。

為了滿足便攜式電源管理系統(tǒng)整合與集成,降低紋波,實現(xiàn)電壓輸出可調的需求,設計了單芯片電源管理系統(tǒng)的新結構,包含3個模塊,即USB輸出模塊,可調輸出模塊及電源充電管理模塊。通過整合與集成,可有效降低便攜式電源管理系統(tǒng)的開發(fā)及應用成本,減小過溫、過放、過充對電源的損害,克服傳統(tǒng)直流電源的缺點,具有很高的應用價值[6]。

1 核心芯片

1.1 MP2307

MP2307是一款單芯片同步降壓調節(jié)器,集成100 m金屬氧化物半導體場效應晶體管。MP2307使用電流模式控制來調節(jié)輸出電壓[7],使用電阻分壓器在FB測量輸出電壓,通過內部跨導誤差放大器放大,比較COMP引腳上的電壓與開關電流,對輸出電壓進行控制。設計電路時,要盡量避免芯片內部單元引腳與外部驅動使用同一個電源,若不進行區(qū)分,驅動輸出的電流峰值太高會導致芯片無法正常工作。電路設計時,還需考慮到電磁干擾對系統(tǒng)電路的影響,因此在合理布置元器件的前提下,輸入端要盡可能遠離輸出端[8]。圖1為MP2307芯片的引腳圖[9]。

圖1 MP2307芯片引腳圖

1.2 SH367005S

SH36700X是一款鋰電池保護控制芯片,對電流、電壓及溫度的監(jiān)控采用內置高精度電壓檢測電路及延時電路。該系列芯片采用平衡功能,能夠延長電池壽命,其中,SH367005S適用于保護3～5串鋰電池組。

1.2.1 過充保護功能

SH36700X進入過充電保護狀態(tài)的條件:電芯電壓大于過充電保護電壓VOV,電芯電壓高于過充保護電壓的持續(xù)時間大于過充電保護延時tOV。

結束過充電保護狀態(tài)的條件:電芯電壓小于過充電保護解除電壓VOVR,電芯電壓低于過充保護電壓的持續(xù)時間大于過充電保護解除延時。

1.2.2 過放保護功能

SH36700X進入過放電保護狀態(tài)的條件:電芯電壓小于過放電保護電壓VUV,電芯電壓低于過放保護電壓的持續(xù)時間大于過放電保護延時tUV。

結束過放電保護狀態(tài)的條件:電芯電壓均低于過放電保護解除電壓VUVR,電芯電壓均低于過放保護電壓的持續(xù)時間大于過放電保護解除延時。

1.2.3 過流保護功能

SH36700X進入放電過流保護狀態(tài)的條件:RS2-RS1電壓高于放電過流1保護電壓VDOC1(放電過流2保護電壓VDOC2),RS2-RS1電壓高于放電過防保護電壓的持續(xù)時間超過放電過流1保護延時tDOC1(放電過流2保護延時tDOC2)。

結束放電過流保護狀態(tài)的條件:移除負載(移除負載判斷條件:VM管腳電壓低于VVM),移除負載的持續(xù)時間大于放電過流保護解除延時tDOCR。

SH36700X進入充電過流保護狀態(tài)的條件:RS2-RS1的電壓小于充電過流保護電壓VCOC,RS2-RS1電壓低于充電過流保護電壓的持續(xù)時間超過充電過流保護延時tCOC。

結束充電過流保護狀態(tài)的條件:拔出充電器(充電器拔出判斷條件:CHSE管腳電壓高于VCHSE1),拔出充電器的持續(xù)時間大于充電過流保護解除延時tCOCR。

1.2.4 過溫保護功能

當TS管腳外接溫度電阻時,SH367005S能進行溫度保護,包括充電高溫保護及放電高溫保護[10]。其過溫保護狀態(tài)轉移如圖2。

圖2 溫度保護狀態(tài)轉移

2 單芯片電源管理結構

針對便攜式電源管理系統(tǒng)整合與集成需求,提出了單芯片電源管理系統(tǒng)的新結構。該結構包含A、B、C 3個模塊。模塊A是USB輸出模塊,模塊B是可調輸出模塊,模塊C是電源充電及管理模塊。通過整合與集成,可有效降低便攜式電源管理系統(tǒng)的開發(fā)及應用成本。

模塊A由單片同步降壓調節(jié)器MP2307電路與USB連接器組成,單片同步降壓調節(jié)器MP2307將16.8 V輸出轉換成5 V至USB接口。圖3為模塊A的原理。

圖3 模塊A的原理

模塊B由MP2307同步降壓電路、DC輸出端口、電壓表構成,通過調節(jié)模塊中的可調電阻R23控制輸出電壓,由DC輸出端口輸出,電壓表檢測輸出電壓。圖4為模塊B的原理。

圖4 模塊B的原理

模塊C由滑動開關與發(fā)光二極管及SH367005S鋰電池保護芯片、DC電源連接器、電池盒、電流表構成。采用滑動開關控制是否輸出,發(fā)光二極管充當工作指示燈,紅色指示燈亮表示電源輸出正常。SH367005內置高精度電壓檢測電路與延時電路,進行電壓、電流及溫度監(jiān)控,保證Pack安全。DC端口既能作為電池充電輸入端,又能作為電池放電輸出端。電量表監(jiān)測電池剩余電量。圖5為模塊C的原理。

3 實驗驗證

3.1 PCB板3D視圖及實物圖

為了驗證設計電源的可行性及性能,將電源控制及管理模塊制作成PCB板,并將元器件焊接組裝完成。PCB圖與實物圖如圖6所示。

圖6 直流電源PCB板正面與反面

3.2 輸出性能驗證

為了驗證設計電源的輸出性能,將一款常見的5 V 2 A規(guī)格的手機充電器(屬于開關電源結構)與本設計進行對比測試。結果見表1、表2。

表1 設計電源的輸出電壓與紋波測試結果

表2 開關電源的輸出電壓與紋波測試結果

由表1和表2的測試結果可以看出,本電源設計與開關電源在同等負載條件下,輸出電壓更為穩(wěn)定,輸出電壓紋波小。在1 A工作電流情況下,開關電源輸出電壓降低至4.64 V,比輸出標稱值5 V低0.36 V。本實用新型在1 A負載情況下輸出電壓僅比標稱值5 V低0.02 V,輸出電壓更加穩(wěn)定。同等負載條件下,設計電源的輸出電壓紋波比開關電源小很多,在1.5 A負載情況下,紋波大小僅為開關電源的1/36左右。

3.3 充放電時電流與電壓穩(wěn)定性驗證

為了驗證設計電源充放電時電流與電壓的穩(wěn)定性,進行充放電測試,結果見表3、表4。

表3 充電測試結果

表4 放電測試結果

由表3和表4可以看出,設計電源在充電測試中,恒流充電到電池電壓達到一定值時,充電電流不斷減小,直到電池充滿,保證了電池充電安全。在放電測試中,恒流放電1 h,電池電壓量下降到4.4 V左右,完全滿足日常電池供電需求。

4 結論

以兩塊核心芯片為基礎,設計了A、B、C 3個模塊,即USB輸出模塊、可調輸出模塊與電源充電及管理模塊,通過整合與集成制作了一款便攜式多輸出直流電源,利用MP2307同步降壓電路、DC輸出端口、電壓表,通過調節(jié)模塊中的可調電阻R23控制輸出電壓,由DC輸出端口輸出,實現(xiàn)了輸出電壓的可調節(jié)功能。利用SH367005S鋰電池保護芯片實現(xiàn)過溫、過放、過充保護功能,保證了電源長時間可靠工作,利用B模塊的電壓表與C模塊的電量表實現(xiàn)了輸出電壓值、電池電量顯示。