《USB移动电源 》 课程设计说明书

《USB移动电源》 课程说明 专业班级： 微电子学（1）班 姓 名： 李伟程 章结焱 邓忠波 汤志 学 号： 080911025 089011041 080911005 080911015 指导教师： 王陈宁老师 设计时间: 2012.11.20 物理与电气工程学院 2012年 11 月 20 日 摘 要 移动电源一种集供电和充电功能于一体的便携式充电器，可以给手机等数码设备随时随地充电或待机供电。一般由锂电芯或者干电池作为储电单元。区别于产品内部配置的电池，也叫外挂电池。一般配备多种电源转接头， 通常具有大容量、多用途、体积小、寿命长和安全可靠等特点，是可随时随地为手机、数码相机、MP3 、 MP4 、PDA 、掌上电脑、掌上游戏机等多种数码产品供电或待机充电的功能产品。 　　移动电源，也叫“外挂电池”、“外置电池”、“后备电池”、“数码充电伴侣”、“充电棒”、“充电宝”“续电虫”，它还有一个非常个性的名称：“手机恋人”，移动电源”这个概念是随着目前数码产品的普及和快速增长而发展起来的，其定义就是方便易携带的大容量随身电源。 　　移动电源就是针对目前数码产品功能日益多样化，使用更加频繁，与我们日常生活的关联也越来越密切，如何提高数码产品以及电子产品的使用时间、方便人们的生活、及时补充电源、发挥其最大功用的重要性就更加刻不容缓。移动电源，就是针对并解决这一问题的最佳，随身携带一个移动电源，就可以实现于室外随时随地为多种数码产品充电。 　　移动电源最早出现在2001年的CES展览上，那时只是在CES沙摊馆的一地摊似的展览位上，是一个留学生用几节AA电池再带一个控制电路而拼凑起来的。当时这个不起眼的东西，因它能在任何地方给数码产品充电而引起许多参展商的关注。随着全球经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，随身携带式的电子产品也越来越多，如笔记本电脑、平板电脑、手机、数码相机、摄像机、便携式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖设备、医疗保健设备等。它们都要用到电池，但这些设备的原配电池都会因为电池容量低而不能满足设备的正常使用时间。当出差或旅游时又是这些设备的工作高峰期，经常在关键时刻电池没有电了，特别是在手机正在打电话时，数码相机正在拍照时，PSP游戏机玩的正起劲时，PDA正在工作时等等，让您感觉很无奈和无助。而您也不可能把每种设备都配一个备用电池，不但成本高而且也不方便。基于此，为了解决人们的这种烦恼问题，移动电源应运而生。 　　 有了移动电源可以解决众多移动设备的电源供给问题，从而彻底解决缺电之苦，使工作和旅游无忧无虑。市面上有的产品容量高，单机容量可达14000mAh到20000mAh，智能电量指示，一般采用聚合物锂离子电芯，广泛用于5V的设备。移动电源的安全性也是不断人们重视的问题，然而在市场杂乱无章的情况下移动电源的不安全因素也是越来越多的。移动电源一定要具备：短路、过充、过放、恒流、恒压等保护措施，还应有高性能电源管理技术。 关键字：移动电源、便携式充电器、数码产品、安全性。 目 录 摘要…………………………………………………………………………………………1 目录…………………………………………………………………………………………2 1 锂电池介绍………………………………………………………………………………3 1.1 锂电池与镍镉、镍氢可充电池………………………………………………………3 1.2 锂电池的特点…………………………………………………………………………3 1.3 锂电池的内部结构……………………………………………………………………3 2 总体设计…………………………………………………………………………………4 2.1 设计目的及要求………………………………………………………………………4 2.2 几种重要元器件基本介绍……………………………………………………………4 2.2.1 TL431基本资料 ……………………………………………………………………4 2.2.2 LM393基本资料 ……………………………………………………………………5 2.3 设计原理………………………………………………………………………………6 2.3.1 充电电路……………………………………………………………………………6 2.3.2 放电保护电路………………………………………………………………………6 3 设计电路图及仿真………………………………………………………………………6 附录：参考文献……………………………………………………………………………7 1 锂电池介绍 1.1 锂电池与镍镉、镍氢可充电池 锂离子电池的负极为石墨晶体，正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时，锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以，在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现，而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池，简称锂电池。 锂电池具有：体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点，但价格较贵。镍镉电池因容量低，自放电严重，且对环境有污染，正逐步被淘汰。镍氢电池具有较高的性能价格比，且不污染环境，但单体电压只有1.2V，因而在使用范围上受到限制。 1.2锂电池的特点 具有更高的重量能量比、体积能量比；2、电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压； 3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性；4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电；5、寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次；6、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.5～1倍容量的电流充电，使充电时间缩短至1～2小时；7、可以随意并联使用；8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池；9、成本高。与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。 1.3锂电池的内部结构   锂电池通常有两种外型：圆柱型和长方型。 电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件，以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。单节锂电池的电压为3.6V，容量也不可能无限大，因此，常常将单节锂电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。 2 总体设计 2.1 设计目的及要求 利用所学基本电路知识设计一个便携式移动电源的基本电路。 从便携式产品电源管理的发展趋势来看，需要考虑几个问题： 电源设计必须要从成本和产品性能等整个系统来考虑； 便携产品日趋小巧薄型化，必须考虑电源系统体积小、重量轻的问题； 选用电源管理芯片力求该集成度、高可靠性、低功耗等问题，延长电池寿命。 2.2 几种重要元件基本介绍 2.2.1 TL431基本资料 TL431精密可调基准电源有如下特点：稳压值从2.5~36V连续可调;参考电压原误+-1.0%，低动态输出电阻,典型值为0.22欧姆输出电流1.0~100毫安;全温度范围内温度特性平坦，典型值为50ppm;低输出电压噪声。 典型应用电路如下：   1.精密基准电压源,该电路具有良好的温度稳定性及较大的输出电流。但在连接容性负载时，应特别注意CL的取值，以免自激。   2.可调稳压电源Vo可在2.5~36V之间调节。   V0=Vref(1+R1/R2) (Vref=2.5v),由于承受电压与（Vi–Vo）有关，因此压差很大时，R的功耗随之增加。使用时注意。   3.过电压保护电路,当Vi超过一定电压时，TL431触发，使晶闸管导通，产生瞬间大电流，将保险丝熔断，从而保护后极电路。V保护点=（1+R1/R2）Vref.   4.恒流源电路,恒流值与Vref和外加电阻有关，功率晶体管选用时要考虑余量。该恒流源如与稳压线路配接，可做电流限制器用。   5.比较器,它是巧妙的运用了Vref=2.5v这个临界电压。当ViVref时，Vo=2V由于TL431内阻小，因而输入输出波形跟踪良好。   6.电压监视器,利用TL431的转移特性，组成实用电压监视器。当电压处于上下限电压之间，LED电量，上下限电压分别为（1+R1/R2）Vref和（1+R3/R4）Vref. 2.2.2 LM393基本资料 LM393是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.0~10mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC(集成电路板integrated circuit，缩写：IC) 并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。 LM393 是双电压比较器集成电路。该电路的特点如下： 　　 比较器数:2 ；工作温度范围:0°C -- +70°C ；SVHC(高度关注物质):No SVHC (18-Jun-2010)； 器件标号:393 ；通道数:2 ；逻辑功能号:393 ；工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：2～ 36V，双电源：±1～±18V；消耗电流小，ICC=0.8mA； 　　输入失调电压小，VIO=±2mV；共模输入电压范围宽，VIC=0～VCC-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门； 采用双列直插8 脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8 脚塑料封装（SOP8）。 主要功能： 输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用)，输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流(16mA)时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm 的γSAT限制。当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)允许 输出箝位在零电平。 2.3 设计原理 2.3.1 充电电路 其原理是：采用恒定电压给电池充电，确保不会过充。输入直流电压高于所充电池电压3伏即可。R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路，Q2、W2、R2构成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。随着被充电池电压的上升，充电电流将逐渐减小，待电池充满后R4上的压降将降低，从而使Q3截止，LED将熄灭，为保证电池能够充足，请在指示灯熄灭后继续充1—2小时。使用时请给Q2、Q3装上合适的散热器。本电路的优点是：制作简单，元器件易购，充电安全，显示直观，并且不会损坏电池．通过改变W1可以对多节串联锂电池充电，改变W２可以对充电电流进行大范围调节。缺点是：无过放电控制电路。 2.3.2 放电保护电路 基于LM393双电压比较输出高电平或低电平的特点，此处用来实现放电保护电路。 LM393负输入端利用稳压管输入一五伏左右（考虑健康使用下限电压为2.55V）的电压，而正输入端接实时的电池电压，刚开始充电时，正输入端电压大于负输入端的电压，即输出高电平（2.4V-5.0V），D882导通，实行充电。当充电进行一段时间，电池电压会随充电而减小，直至正输入端电压小于负输入端电压时，LM393输出低电平（0.0V-0.4V），此时三极管D882截止，电路断开，即充电结束，从而实现对充电的过度保护。 3 设计电路图及仿真 USB移动电源总体电路图 电路仿真截图 附录：参考文献 [1] 高玉良，电路与模拟电子技术，第二版，北京：高等教育出版社，2008. [2] 温照方，电路基础，北京：北京理工大学出版社，1996. [3] 康华光，电子技术基础，第四版，北京：高等教育出版社，1999. [4] 赵曙光，电路可编程模拟器件原理、开发及应用，西安：西安电子科技大学出版社，2001.