便攜式移動(dòng)電源電子電路設(shè)計(jì)方案詳解

　　近年來(lái)，由于便攜式產(chǎn)品的普及化，如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、MP3隨身聽等，幾乎人人都使用這些便攜式產(chǎn)品，但是當(dāng)你出門在外正在使用智能手機(jī)打電話或使用平板電腦看影片時(shí)，電池突然沒電了，常常讓人覺得非常無(wú)奈。為避免外出時(shí)遇上智能手機(jī)或平板電腦沒電的窘?jīng)r，對(duì)于這些便攜式產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，移動(dòng)電源（Power Bank）幾乎成為必備的配件。同時(shí)，隨著鋰離子電池相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使得移動(dòng)電源的電池容量愈來(lái)愈大但體積卻不增反減，大大提升了移動(dòng)電源攜帶的便利性。

　　目前，移動(dòng)電源本身除了追求愈來(lái)愈大的電池容量與僅可能輕薄小巧的外型外，其充電所需的時(shí)間長(zhǎng)短與可釋放出來(lái)的總電量多寡也為消費(fèi)者選購(gòu)時(shí)關(guān)心的重點(diǎn)。因此，如何設(shè)計(jì)充電時(shí)間短、轉(zhuǎn)換效率高的移動(dòng)電源電路，亦為移動(dòng)電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的重要課題。有鑒于此，本文將說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)一體積小、效率高的移動(dòng)電源電路。

　　圖1 Charger IC + Boost(＄19.3800) IC 方案。

　　圖2 MCU + Charger IC + Boost(＄19.3800) IC 方案。

　　圖3 MCU + Combo(＄438.5500) IC 方案。

　　電路方案

　　目前移動(dòng)電源的電路方案大致上可分為三種，第一種方案是Charger IC + Boost(＄19.3800) IC，此種方案利用Charger IC對(duì)移動(dòng)電源的鋰電池充電，Boost(＄19.3800) IC對(duì)移動(dòng)裝置放電，如圖1所示。第二種方案是MCU + Charger IC + Boost(＄19.3800) IC，除了第一種方案的部分外，多了MCU對(duì)鋰電池及輸入輸出電壓作偵測(cè)，此種方案目前比較常見，如圖2所示。第三種方案則是MCU + Combo(＄438.5500) IC，此種方案是將Charger IC及Boost(＄19.3800) IC整合成一顆IC，可以減少零件的數(shù)量，節(jié)省PCB空間，如圖3所示。而本文將針對(duì)目前比較常見的第二種方案做詳細(xì)介紹。

　　移動(dòng)電源電路

　　這幾年，隨著便攜式產(chǎn)品不斷成長(zhǎng)，移動(dòng)電源的需求也持續(xù)增加，輕薄小巧、快速充電、轉(zhuǎn)換效率高及高安全性等也成為消費(fèi)者購(gòu)買移動(dòng)電源時(shí)的首要考慮，為了滿足消費(fèi)者的需求，許多公司都推出移動(dòng)電源解決方案，在此我們以沛亨半導(dǎo)體所開發(fā)的 AIC6511及AIC3420作為設(shè)計(jì)范例，提供給讀者參考。

　　從上一節(jié)可以得知，一個(gè)完整的移動(dòng)電源電路包含了電池充電管理IC、升壓轉(zhuǎn)換器IC及MCU，每個(gè)部分都會(huì)影響移動(dòng)電源的整體效能，所以選用適當(dāng)?shù)腎C是非常重要的。圖4所示為本文所要介紹的移動(dòng)電源電路，主要由AIC6511鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器、AIC3420升壓轉(zhuǎn)換器及MCU所組成。底下將針對(duì)所提出的移動(dòng)電源電路做詳細(xì)的說(shuō)明。

　　圖4 移動(dòng)電源電路。

　　鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器

　　鋰離子電池是目前應(yīng)用最廣泛的可重復(fù)充電式電池，可將單顆鋰電池用于低功率產(chǎn)品，也可以將多顆鋰電池串并聯(lián)得到更高電壓與容量，例如移動(dòng)電源就是將多顆鋰電池并聯(lián)來(lái)獲得高容量。鋰電池具有能量密度高、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)、壽命長(zhǎng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，非常適合做為便攜式產(chǎn)品的電力來(lái)源。

　　鋰電池充電IC分為線性式及切換式兩種，線性式充電IC的成本低，IC接腳數(shù)較少，只需要少數(shù)的被動(dòng)組件。然而線性式充電IC有較大的功率損耗，若設(shè)計(jì)不好常會(huì)導(dǎo)致IC溫度過(guò)高，且一般移動(dòng)電源大多使用散熱較差的塑料外殼，使得線性式充電IC無(wú)法提供較大的充電電流，因此線性式充電IC通常比較適合低容量鋰離子電池應(yīng)用。若希望在短時(shí)間之內(nèi)將電池充飽，則必須要提高充電電流，此時(shí)可以考慮應(yīng)用切換式充電IC。切換式充電IC利用開關(guān)的高頻切換來(lái)達(dá)到能量的傳遞，可提供較大的充電電流，且具有高轉(zhuǎn)換效率不會(huì)有過(guò)熱現(xiàn)象，適合高容量電池的充電應(yīng)用。

　　充電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，要立即停止充電，以避免電池過(guò)充而產(chǎn)生危險(xiǎn)，而當(dāng)電池放電時(shí)，電池電壓如果降至2.5V以下，要立即停止放電，以免電池過(guò)放而減少電池的使用壽命。除此之外，鋰電池在應(yīng)用上，還會(huì)加上短路保護(hù)電路，防止鋰電池因短路而造成危險(xiǎn)。

　　鋰電池對(duì)充電要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的±0.5%之內(nèi)。目前鋰電池充電最常采用三段充電法，即預(yù)先充電模式（Trickle Charge Mode）、定電流充電模式（Constant Current Charge Mode）、定電壓充電模式（Constant Voltage Charge Mode）。充電IC在充電前會(huì)偵測(cè)電池的狀態(tài)，若電池電壓大于3V，將以定電流充電模式充電；若電池電壓低于3V，則以預(yù)先充電模式（約10%的定電流充電模式充電電流） 充電，到接近終止電壓時(shí)，改為定電壓模式充電，此時(shí)電池電壓幾乎不變，但充電電流會(huì)持續(xù)下降，當(dāng)充電電流降到某一值時(shí)（約10%的定電流充電模式充電電流），充電電流會(huì)被關(guān)閉，完成充電。圖5所示為采用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。

　　圖5 采用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。

　　便攜式產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展，使得移動(dòng)電源的功能及規(guī)格要求也日漸提升，因此如何有效率的充放電也成為各家廠商發(fā)展的主流。由于切換式充電器在應(yīng)用上較線性式充電器廣泛，也具有更高轉(zhuǎn)換效率，適合高容量鋰電池的應(yīng)用。因此本文提出一個(gè)以切換式充電IC來(lái)取代線性式充電IC的移動(dòng)電源方案，來(lái)提高充電電流，縮短充電時(shí)間，并使充電電路幾乎不會(huì)有過(guò)熱的問(wèn)題發(fā)生。