基于PWM降壓轉(zhuǎn)換器AP3003的車載充電器

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)多媒體設(shè)備正逐漸成為人們生活中不可缺少的工具，與這些產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的充電器設(shè)計(jì)也越來(lái)越受到關(guān)注。按照充電器的使用場(chǎng)合，可以分成家用型充電器和車載充電器，一般手機(jī)自帶的充電器多數(shù)是家用型，即交流輸入型；車載充電器是一種直流輸入型的充電器，它的出現(xiàn)使移動(dòng)設(shè)備的充電場(chǎng)合更加多樣化。很多公司都生產(chǎn)了可實(shí)現(xiàn)車載充電器方案的控制芯片，比如BCD公司的AZ34063A/C、AZ494B/D和AP3003等。

AZ34063A/C方案的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是限流點(diǎn)不準(zhǔn)確，過(guò)熱問(wèn)題較為普遍；AZ494B/D方案的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是外圍器件選擇較復(fù)雜，需要選擇合適的功率管、驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)需要進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)。AP3003方案的優(yōu)點(diǎn)是外圍器件較少，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制精確，雖然成本比AZ34063A/C方案較高，但是其性價(jià)比卻是三個(gè)方案中最高的。

AP3003系列一共有四個(gè)電壓版本：3.3V、5V、12V輸出電壓固定版本和ADJ輸出電壓可調(diào)版本。芯片內(nèi)部集成了功率管、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和環(huán)路補(bǔ)償，大大簡(jiǎn)化了車載充電器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；芯片內(nèi)部高達(dá)150kHz的固定開(kāi)關(guān)頻率有效地縮減了外部器件的體積（主要是濾波電感和濾波電容的體積），從而節(jié)約了外部空間；最大3A的電流能力使AP3003可以滿足大多數(shù)大容量電池充電的場(chǎng)合；同時(shí)，芯片內(nèi)部還設(shè)計(jì)了很多保護(hù)電路，比如限流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)，這使得芯片在車載充電器系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)更加安全可靠。

車載充電器系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)框圖

車載充電器的輸入電壓12～36V，輸出電壓5.10.1V，輸出電流750 50mA。充電器在給電池充電時(shí)，如果充電電流過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)熱、壽命減短、甚至損壞，因此需要恒流（CC）功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制。為了保證充電器不因?yàn)槎搪窌r(shí)輸入功率過(guò)大而燒毀，則需要短路保護(hù)功能。

用AP3003設(shè)計(jì)出的車載充電器，其原理如圖1所示，包括三大部分：AP3003構(gòu)建的基本降壓電路、恒流恒壓（CC/CV）電路和短路保護(hù)電路。

圖1 車載充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

基本降壓電路

這部分電路是整個(gè)車載充電器系統(tǒng)的核心部分，它為電池在充電過(guò)程中提供必須的電壓和電流。設(shè)計(jì)電路如圖2所示，分壓電阻RA和RB用來(lái)設(shè)定輸出電壓，CFF電容可以增加環(huán)路的相位裕度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，推薦取值范圍為10～33nF。

圖2 AP3003構(gòu)建的基本降壓電路

恒流恒壓（CC/CV）電路

恒流恒壓電路利用了AS358做電壓、電流信號(hào)的采樣和放大。其電路如圖3所示，分為兩部分，一部分是恒流環(huán)：采樣電阻R_S采樣輸出電流I_O，經(jīng)過(guò)AS358_1進(jìn)行放大，放大倍數(shù)由R2/R1決定（R1=R3，R2=R4），放大后的信號(hào)通過(guò)二極管D1送到AP3003的FB管腳；另一部分是恒壓環(huán)：電阻RA和RB采樣輸出電壓V_O，經(jīng)過(guò)AS358_2和二極管D2送到AP3003的FB管腳 。根據(jù)，可以得到恒流點(diǎn)和恒壓點(diǎn)的計(jì)算公式(1)和(2)：

(1)

(2)

圖3 利用AS358設(shè)計(jì)的恒流恒壓（CC/CV）電路

其中，V_D1、V_D2分別是二極管D1和D2的正向?qū)妷?，V_REF是AP3003內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以選擇合適的Rs、R2、R1、RA、RB和二極管，得到恒流點(diǎn)為750mA，恒壓點(diǎn)為5V的車載充電器系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 V-I特性曲線

　　
短路保護(hù)電路

短路保護(hù)電路利用一個(gè)晶體管來(lái)采樣輸出電壓，根據(jù)輸出電壓在短路前后的狀態(tài)變化判斷是否發(fā)生短路，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能（見(jiàn)圖5）。為了方便示意短路與否，可以加入一個(gè)發(fā)光二極管做指示燈（見(jiàn)圖6），短路發(fā)生后，放光二極管D3亮，消除短路后，重新啟動(dòng)電源，電路可以恢復(fù)正常工作。

圖5 短路保護(hù)電路

圖6 含指示燈的短路保護(hù)電路

電路工作原理如下：短路發(fā)生后，輸出電壓經(jīng)過(guò)RA和RB采樣得到電壓值無(wú)法維持三極管Q1導(dǎo)通，于是Q1關(guān)斷，電容C1被充電，連接AP3003 EN管腳的V_EN隨著時(shí)間的推移電壓不斷升高，表達(dá)式如(E-3)所示，V_EN一旦高于EN 管腳的閾值電壓，整個(gè)系統(tǒng)停止工作，實(shí)現(xiàn)了短路保護(hù)的功能。

(3)

短路保護(hù)設(shè)計(jì)需要注意兩個(gè)方面，第一要避免短路保護(hù)電路影響系統(tǒng)啟動(dòng)，R1、C1的選擇要保證短路保護(hù)開(kāi)始動(dòng)作的時(shí)間遠(yuǎn)大于系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間；第二是要選擇合適的R3，以保證R3的加入不會(huì)影響RA和RB所設(shè)定的輸出電壓值。