可充电的MP3播放器电源系统设计的说明书

学号：08024040211 学号：09024040231 毕业设计说明书 题 目 ：可充电的MP3播放器电源系统设计 英文并列题目：design of power supply system of rechargeable mp3 player 学院 机电工程学院 专业 机械设计制造及其自动化班级机电09-2 学生 罗贞国 指导教师（职称） 陈英俊（讲师） 完成时间 2013 年 3 月 5 日至 2012 年 6 月 日 广东石油化工学院本科毕业设计诚信承诺保证书 本人郑重承诺：《可充电的MP3播放器电源系统设计》毕业设计的内容真实、可靠，是本人在 陈英俊 指导教师的指导下，独立进行研究所完成。毕业设计中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。 学生签名： 年 月 日 专业负责人 批准日期 毕 业 设 计 任 务 书 院（系）： 机电工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机电09-2 学生： 罗贞国 学号： 09024040231 一、毕业设计（论文）课题 可充电的MP3播放器电源系统设计 二、毕业设计（论文）工作自 2013 年 3 月 5 日起至 2013 年 6 月 日止 三、毕业设计（论文）进行地点 广东石油化工学院官渡校区 四、毕业设计（论文）的内容要求 1、已知条件： 自选确定型号的可充电的MP3播放器。 2、设计要求： （1）按要求写出开题； （2）收集国内外有关情报资料，查阅有关文献资料15篇以上； （3）翻译不少于5000单词的科技英语（英译中）； （4）在分析、计算、选择和设计的基础上编写出不少于两万字的设计计算说明书； （5）研究选择正确的电池类型，设计电源管理电路，给出可充电的MP3播放器电源系统的结构框图和电路原理图。 3、工作进度： （1）查阅资料，了解便携设备电源系统的基本组成情况包括电池、电源管理电路等，写出开题报告； （2）外文翻译； （3）研究比较分析各种电池的特点，正确选择MP3播放器的电池类型； （4）研究设计可充电的MP3播放器电源管理电路（稳压电路、充放电电路等），比较分析各种电路的优缺点； （5）分析当前可充电电源系统爆炸事故也就是电池爆炸事故的主要原因以及解决措施； （6）整理编写设计计算说明书； （7）准备和参加毕业答辩； 4、主要参考资料： （1）电子工程专辑，http://www.eetchina.com （2）陈英俊, 李洁, 黄平. 人体胃肠道窥视微机电系统设计与研制. 中国机械工程, 2006, 17(9) （3）陈英俊. 人体无线内窥微机电系统设计中若干关键问题. 茂名学院学报, 2009, 19(1) （4）栾成强. 便携设备中供电电路的综合考虑. ELECTRONIC PRODUCTS CHINA, 2009, 7 指导教师 陈英俊 （讲师） 接受论文任务开始执行日期 2013 年 3 月 5 日 学生签名 摘要 随着便携设备（如：移动手机、笔记本电脑、MP3、MP4、数码相机等）的高速发展, 便携设备与人们的工作、生活的关系日益密切。而便携设备都离不开可靠的电源，其性能的提升在很大程度上依赖于电源系统的好坏。 电池是电源系统的核心组成部分，电池的使用方法不正确，会使得电池的寿命缩短和性能降低，有时甚至会发生爆炸，故在可充电MP3的电源系统设计中，我们应当注意电池保护电路的设计（如：过充电保护电路设计、过放电电路设计、过电流保护电路设计）。而稳压电路是电源系统的重要部分，如果稳压电路设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等。 关键词：可充电MP3 电源系统 电池 电池保护电路 稳压电路 ABSTRACT With portable devices (such as mobile phone, laptop computers, MP3, MP4,digital camera, etc) the high speed development, portable equipment and people's work and life is increasingly close relationship.And portable devices are inseparable from reliable power supply, the performance of the ascending depends largely on the stand or fall of power system. The battery is a core component of the power system, the incorrect use of the battery will shorten the battery life and performance, and sometimes even an explosion may occur，Therefore, in rechargeable MP3 of the power supply system design, we should pay attention to battery protection circuit design (such as: charging protection circuit design, discharging circuit design, over current protection in circuit design). Voltage power supply system and circuit is the important part, if the circuit design unreasonable voltage, it will affect the whole system structure, the characteristics of the product combination, the choice of components, software design and power distribution structure, etc. Keywords: Rechargeable MP3 Power-supply system Battery Battery protectied circuit Voltage stabilizer circuit 目录 TOC \o "1-3" \h \z \u 摘要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1便携式设备 1 1.2便携式设备的电源系统 2 1.2.1便携式设备电源系统的组成与工作原理 2 1.2.2电源管理技术的发展 3 1.2.3便携式设备电源系统设计要求 4 1.3 可充电的MP3播放器电源系统设计的设计目的和意义 4 第二章 分析比较便携设备的电池 5 2.1电池概述 5 2.1.1电池的定义及发展历史 5 2.1.2电池的分类 6 2.1.3 电池的工作原理 7 2.1.4各类电池的特点 9 2.2常用于可充电便携设备的几种电池的特点及其性能的比较 15 2.2.1可充电电池的主要参数 15 2.2.2几种常用于可充电便携设备电池的特点及性能比较 15 第三章 用于便携设备的各种电源电路的比较 19 3.1低压差线性稳压器（LDO） 20 3.2电荷泵 21 3.3 电荷泵+LDO稳压器 22 3.4 电荷泵稳压器 22 3.5 DC-DC 转换器 23 3.5.1 DC-DC 降压转换器 23 3.5.2 DC-DC 升压转换器 24 3.5.3 DC-DC 升降压H-桥式转换器 24 第一章 绪论 1.1便携式设备 以信息电器为代表的嵌入式应用系统真正拉开了嵌入式系统大发展的序幕，它极大的推支了IT产业的发展，给人类的生产、生活带来了深远的影响。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且以软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能[1]。 便携式设备就是嵌入式系统的的典型应用。便携式设备就是便于携带的设备。55年前，Sony因推出全球第一款便携式收音机而开创了便携式半导体产品的先河。20多年前，便携式产吕的领军代表移动电话和笔记本电脑诞生，虽然它们的庞大体积还难以用便携来形容，但20多0年后的今天，随着半导体技术的飞速发展，这两类产品不便能便携，而且能小到放进口袋中了。同时便携式家族也添加了许多新的成员。目前市场上计算机、通信、消费电子、汽车电子、医疗仪器等产品中都有便携式的身影[1]。 在便携式设备这个大家族中，消费类电子产品是推动便携式产品发展的动力。从微型收音机、walkman、便携式VCD/DVD到今天的MP3/MP4功能的多媒体手机，我们可以看到，消费者的需求一直都在推动便携式产品的发展，而每一个新应用的诞生，则驱动便携式产品发生革命性的变化。一方面，消费者希望手中所拿的产品越来越小，于是便携式产品一直在朝着轻、薄、小的方向发展。同时，消费者还希望手中的这个小东西具有尽可能多的功能，在这样的需求下，便携式产品一直在增加新的功能，而且多功能融合的趋势也越来越明显。举例来说，从最早期纯粹的语音通信到MP3播放、视频录放、百万像素拍照、蓝牙，再到目前流行的双模/多模、GPS定位导航、移动数字电视以及电容性触摸屏输入，如今人们随身携带的小小手机几乎包括了所有小型电子设备的主要功能。面世才几年的便携式多媒全播放器（PMP），也从音视频向集成移动通信、GPS、MTV、电子游戏等功能的方向发展[1]。 1.2便携式设备的电源系统 1.2.1便携式设备电源系统的组成与工作原理 电源系统主要包括两大部分：电池管理系统和电压变换电路，如图1-1 所示。电池管理系统由蓄电池组、充电电路、锂电池保护电路、电池容量监控电路组成。便携电子设备中，常用的电池有镍氢电池和锂离子电池。采用锂离子电池时，还必须采用锂电池保护电路，以防止锂离子电池组因过充电、过放电、过电流、过热而损坏。实际应用中，还需要实时掌握电池组的现有容量，因此还必须通过电流取样电阻取出蓄电池组的充放电电流，从而计算充入蓄电池的电量和蓄电池组放出的电量，根据二者之差即可估算电池组的现有容量[2]。 图1-1电源系统的结构框图 便携设备的电源系统的工作原理都是大同小异的，一般的电源系统都是把交流电通过交流供电设备、变压电路、整流电路、稳压电路、滤波电路变成直流电的过程。其原理下图1-2[2]。 图1-2 电源系统的工作原理 1.2.2电源管理技术的发展 开关电源的原理已经应用100多年[1]，最早它主要应用于汽油发动机的点火系统，之后应用于电视机高压部分。但是常见的电子设备最初都是用线性电源供电。直到20世纪60年代末，开关电源三大主要元件（磁性元件、开关期间和整流器）的发展改变了开关电源仅用于电视机高压部分的局面，开关电源开始广泛应用。1970年开始，各种类型元件的发展促使开关电源进入快速发展时期，从此在很多领域，开关电源因其比传统线性电源体积小、重量轻逐渐代替了线性电源给电子设备供电。同时，三端线性调整器也促进了线性稳压电源的发展，使其在某些领域继续运用。 最早出现的开关电源是串联型的[1]，其主电路拓扑与线性电源相仿，但是晶体管工作在开关状态。1975年美国Silicon General公司开发第一款集成PWM控制器，打开了几代开关调节器和开关模式电源发展的大门。PWM开关电源效率可达65-75%，而线性电源的效率只有30-40%，在发生世界性能危机的年代，用工作频率不20KHz的PWM开关电源代替线性电源，可在幅度节省能源，从而引起人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20KHz革命。20世纪80年代开始，为了减小体积和重量，PWM开关电源向高频化发展，但是因此会引起更大的开关损耗。进入90年代，开关电源零电压（ZVS）和零电流（ZCS）软开关脉宽调制技术的发展，使开关电源变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。PWM模式的DC/DC转换器可以在全负载肉获得较高的转换效率，但是在轻载时损耗相对很大，效率很低，而PFM模式在轻载时有很高的转换效率。因此在90年代开始，一般商用的DC/DC转换器采用适当的控制策略，使得重载时转换器工作在PWM模式下，轻载时转换器工作在PFM模式下，大大降低系统的功耗，提高系统电源效率。开关电源技术发展到今天，DC/DC转换器的效率可以达到90%以上，sipex公司的降压型DC/DC的转换效率甚至高达98%。 线性稳压电源的调整管工作在线性放大状态，从调整管的变化可以看出线性电源的发展过程。从简单的晶体管、NPN达林顿管到PNP管的LDO，线性电压一直在朝着功耗更小，体积更小的方向发展。线性稳压电源发展到今天，LDO使用MOSFET作为调整管，输入输出压差已经可以小到0.2V，这样转换效率也可以达到90%以上，例如，当锂离子电池的电压是3.5V，用LDO变换到3.3V时，效率为94%。 目前，DC/DC和LDO各自的性能都已经发展到了相当高的水平，但是它们固有的缺点使应用的时侯总是有一些缺憾，于是产生了一种结合开关式DC/DC调节器和LDO的新型电源管理IC，它们具有前者高效率，以及后者的小尺寸和易用性优势。 当今电源管理产吕的发展将围绕节能降耗展开[1]。电源设计周期加快、低待机功耗、高能效以及减小占位面积的要求正在改变传统的电源设计方法。其发展将主要呈现五大特点：（1）电源寿命和效率最大化；（2）体积和成本最小化；（3）电压提供多样化；（4）设计时间最短化；（5）数字电源和模拟电源相结合。 1.2.3便携式设备电源系统设计要求 便携产品电源系统设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机MP3、MP4、PMP、DSC等低耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计以及功率分配架构等。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。例如，现在便携产品的处理器一般都设有几种不同的工作状态，通过一系列不同的节能模式(空闲、睡眠、深度睡眠等)可减少对电池容量的消耗。当用户的系统不需要最大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。从便携式产品电源管理的发展趋势来看，在便携设备的电源系统设计中，需要考虑以下几个问题[2]： 1. 电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑； 2. 便携产品日趋小巧轻薄化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题； 3. 选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗，突破散热瓶颈，延长电池寿命； 4. 选用具有新技术的新型电源芯片进行设计，这是保证产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。 便携产品常用电源管理芯片包括：低压差稳压器(LDO)、非常低压差稳压器(VLDO)、基于电感器储能的DC/DC转换器(降压电路Buck、升压电路Boost、降压-升压变换器)、基于电容器储能的电荷泵、电池充电管理芯片、锂电池保护IC。在选用电源管理芯片时应注意： 1.3 可充电的MP3播放器电源系统设计的设计目的和意义 通过对可充电的MP3播放器电源系统设计的研究，可以让我们对便携式设备的电源系统有一个初步的认识及其基本的设计方法。在设计的过程中，首先通过查阅有关资料了解电源系统的基本组成。然后比较各种电池的优缺点及各种稳压电路的优缺点，为本设计做好准备。同时，我们还要注意电池爆炸事故的主要原因以及解决措施。因此，在设计过程中不仅能让我们学习到了电源系统的设计方法，还锻炼了我们分析问题、解决问题的能力。 第二章 分析比较便携设备的电池 2.1电池概述 2.1.1电池的定义及发展历史 电池是利用物质变化所释放出来的能量直接转变成电能的装置。化学变化产生的能量转换成电能的装置为化学电源；物理变化产生的能量转换成电能的装置为物理电源。化学电源比物理更为得到广泛应用和常见，人们一般将化学电源就通俗地称作电池，本设计所用的电池是化学电池所以只讨论化学电源[3]。 人类研究与使用电池的时间至今有200多年，有关电池的一些重要事件如下所示。 1800年Volta发明Zn/稀硫酸/Cu电堆，是科技史上最早出现的电池，人类第一次可以获得持续电流，大大加快了电学及电化学等学科的发展。电磁效应、钾、钠、钙、镁、锶、电动机、发电机、电解、电镀、电弧灯等都是直接应用电池为电源而发现或发明的。 1802年Davy以碳为燃料，氧为氧化剂，硝酸为电解质进行碳氧电池实验，指出了制造燃料电池的可能性。 1836年Daniel对Volat电池改良为Zn/稀硫酸锌溶液/硫酸铜溶液/CU，在正负极之间使用多孔隔板并改变电解质，最早获得能长时间工作的实用电池。 1839年Grove发明H2（Pt）/硫酸溶液/O2（Pt）电池,这是人类史上第一个燃料电池。 1859年Plante改进Sinsteden在1854年进行的两铅板浸入稀硫酸中可以二次放电的实验发明了实用化铅酸蓄电池。 1868年Leclanche巧妙采用Zaniboni和Jacobi的提案，以Zn为负极，MnO2为正极，NH4Cl溶液为电解质拌以细砂或木屑做成糊状，制出实用化锌锰干电池，此电池与当今的普通锌锰干电池结构相同。 1882年碱性锌锰电池研制成功，是性能最好的锌锰电池类别，并于20世纪50年代中期得到商品化生产。 1887年Duna和Hslacher发明以锌为负极，NI（OH）2为正极是碱性锌镍蓄电池。 1889年Mond和Langer首次提出“燃烧电池（fuel cell）”名称，并采用浸有电解质的多孔材料为隔膜，以铂黑为民催化剂，以钻孔铂或金片为电流收集器组装出氢养燃料电池，此电池结构已接近现代燃料电池。 1901年Edsison发明碱性电解质Fe-Ni蓄电池，电池的负极材料为Fe粉，正极材料为Ni(OH)2。 1902年Jungner发明碱性电解质Cd-Ni蓄电池，电池负极材料为Cdo,正极材料为Ni(OH)2。在蓄电池中，Cd-Ni电池生产量曾长期只次于铅酸电池。 1955年通用电气公司Grubb第一个提出用离子交换膜作为电解质的想法并与Niedrach首次开发出聚合物膜燃料电池。 1958年美国加州大学研究生Harris提出有机电解液锂电池设想，引发了高能锂电池的研究。 1959年Bacon开发了多孔镍电极并制备了KW级碱性燃料电池系统，这是第一个实用性燃料电池，奠定了现代燃料电池技术思想。 1971年松下电器公司的福田雅太朗发明氟化碳一次电池，电池开始脱离预研阶段走向商品化与实用化。 1984年Willems采用Co和Si部分替化LaNi5中的Ni，解决了贮合金粉化和氧化腐蚀问题，实现了利用贮氢合金为负极材料制造MH-Ni电池的可能。 1990年日本实现MH-Ni电池产业化生产，MH-Ni电池可以取代Cd-Ni电池使用，比容量比Cd-Ni电池高且无Cd毒害，是新一代的绿色高能蓄电池。 1991年日本索尼公司成功开发与生产以碳材料为负极和LiCoO2为正极的有机电解质锂离子蓄电池。锂离子电池是目前综合性能最好的蓄电池，商品化后就逐渐取代Cd-Ni电池和MH-Ni电池。 1992年聚合物锂离子蓄电池实现工业化生产。 电池的发展不仅受其自身及相关科学技术进步的影响，更是受社会发展外在需要推动。社会的强劲需要给电池及其材料的生产与研究提供了广阔的空间和美好的前景；新电池及其材料的发明和应用也不断改变人类生活。 2.1.2电池的分类 电池的分类有不用的分类方法，按其分类方法大体上可分为四大类[4]。 第一类：按电解质种类划分，包括： 1碱性电池，电解质主要以氢氧化钾溶液为主的电池，如：碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性电池）、镉镍电池，镍氢电池等； 2酸性电池，主要以硫酸水溶液为介质，如铅酸蓄电池； 3中性电池，以盐溶液为介质，如锌锰干电池、海水电池等； 4有机电解液电池，主要以有机溶液为介质的电池，如锂电池、锂离子电池等。 第二类：按工作性质和贮存方式划分，包括： 1原电池，又称为一次电池，即不能再充电的电池，如锌锰干电池，锂原电池等； 2蓄电池，又称为二次电池，即可充电电池，如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、镉镍电池等； 3燃料电池，即活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池，如氢氧燃料电池等； 4贮备电池，即电池贮存时不直接接触电解液，直到电池使用时，才加入电解液，如镁化银电池，又称海水电池等。 第三类：按电池所用正、负极材料划分，包括： 1锌系列电池，如锌锰电池、锌银电池等； 2镍系列电池，如镉镍电池、氢镍电池等； 3铅系列电池，如铅酸电池等； 4锂系列电池，如锂离子电池、锂锰电池等； 5二氧化锰系列电池，如锌锰电池、碱锰电池等； 6空气（氧气）系列电池，如锌空电池等。 第四类：按活性物质的保存方式分类，包括： 1活性物质保持在电极上分为非再生型一次电池和再生型二次电池（蓄电池）； 2活性物质连续地供给电极，分为非再生型燃料电池和再生型燃料电池。 2.1.3 电池的工作原理 不管是一次电源，还是二次电源，其放电过程都是将化学能转变为电能，这一过程为自发过程。一次电池的反应是不可逆的，而二次电池的电极反应是可逆的。对于二次化学电源，充电过程是将电能转变为化学能，这—过程是非自发过程。虽然与能量转换有关的某些热效应是不可避免的，但是电化学过程则是直接的，不受年诺热机效率的限制。如在中高温燃料电池中，若实现热电联供，理论上能量转化效率可以接近100％，仑的体系甚至大于loo％，这是因为电效率对应于化学反应的自由能，而热效率对应于化学反应的热效应，能量转化效率是电效率和热效率之和[ 5 ]。 电池使用过程电池放电过程，电池放电时在负极上进行氧化反应，向外提供电子，在正极上进行还原反应，从外电路接受电子，电流经外电路而从正极流向负极，电解质是离子导体，离子在电池内部的正负极之间的定向移动而导电，阳离子流向正极，阴离子流向负极。电池放电的负极为阳极，放电的正极为阴极，在阳极两类导体界面上发生氧化反应，在阴极的两类导体界面上发生还原反应。整个电池形成了一个由外电路的电子体系和电解质液的离子体系构成的完整放电体系，从而产生电能供电。下面以锌锰干电池为例，来说明电池的工作原理。 图2-1 锌锰电池工作示意图 图2-1是锌锰电池工作示意图[ 4 ]，正极活性物质二氧化锰与负极活性物质锌在空间上是分隔开的，当二者都与氯化铵和氯化锌的水溶液相接触，电解液含有带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子，是一种例子导体，但并不具有电子导电性。 锌锰电池反应，正极为阴极，锰由四价还原为三价，发生了还原反应： 　　2MnO2＋2H2O＋2e→2MnO(OH)＋2OH－ 负极为阳极，锌氧化为二价锌离子，发生了氧化反应： Zn＋2NH4Cl→Zn(NH3)2Cl2＋2H＋＋2e 总的电池反应为： 2MnO2＋Zn＋2NH4Cl→2MnO(OH)＋Zn(NH3)2Cl2 当锌电极与溶液接触时，金属锌上的锌离子将自发的转入到溶液中，发生锌的氧化反应。锌电极上的锌离子转入溶液之后，将电子留在金属上，结果锌电极表面带有负电荷，它将以库伦力吸引溶液中的正电荷，使之停留在电极表面附近，因而在两相间出现了电位差，这个电位差阻滞锌离子继续转入溶液，同时使锌离子进入溶液的速度逐渐减小，溶液中锌离子返回电极的速度不断增大，最后建立起两个过程速度相等的动态平衡，这时在两相间形成了锌电极上带有负电荷而溶液一侧带有正电荷的离子双层。二氧化锰电极中存在着相似的情况，只是电极在带正电荷而形成的双层溶液一侧的离子是负离子[ 4 ]。 　　有些电池的反应（ 如锂电池），是以（嵌入—脱嵌）方式进行的。锂电池的负极一般是金属锂或含锂物质，正极主要由活性物质和集电极组成。电池在充电时，锂离子从正极活性物质中脱出进入电介质中，通过电解质嵌入到负极活性材料中；相反，放电时，锂离子从负极活性材料中脱出进入电解质中，通过电解质嵌入到正极活性材料中。例如，金属锂/二硫化钛电池放电时，发生的反应可表示[ 5]： 锂离子电池充放电的反应为： 正极反应 负极反应 总反应 发生还原反应的一极为阴极，即负极，而发生氧化反应的一极为阳极，即正极。为了便于理解和记忆，归纳于表2-1中。 表2-1 化学电源充放电过程电极极性 电极 放电过程 充电过程 正极 发生氧化反应，阳极 发生氧化反应，阴极 负极 发生氧化反应，阴极 发生氧化反应，阳极 2.1.4各类电池的特点 2.1.4.1 原电池组 2.1.4.1.1锰锌电池 锰锌电池是我们常见的干电池，价格最便宜，但性能较差。此种电池使用在大电流连续放电时的安培小时值低于小电流间歇放电的安培小时值，所以一般使用在小电流、间歇放电情况。使用时温度范围应在-10℃至+45℃以内。 2.1.4.1.2 碱性电池 碱性电池与锰锌电池不同的是电解质采用氢氧化钾。因此性能要好得多，价格也贵些，约为前者的四倍。它的放电特性曲线平坦，连续放电或间歇放电在容量上差异不大。使用温度应在-20℃至+70℃以内。从理论上讲其放电量是锰锌电池的1.4倍，但实际使用时可达2-3倍的放电量。也可经过充电后继续使用，但充电时不要过热。它的自泄漏电流很小，故使用寿命及贮存寿命都较长。据资料上介绍，其自放电量每年为其容量的100%。 2.1.4.1.3 水银电池 水银电池的容量较前面两种高，电压平稳性也较好，耐连续放电，保存时间较长，耐70℃高温使用，但低温使用差。价格比锰电池高约8倍。 2.1.4.1.4 氧化银电池 氧化银电池与水银电池差不多，耐低温，较前者好，但因为成本高，价格贵。图2-2为以上四种电池的放电曲线图。 图2-2 四种电池的放电曲线图 2.1.4.1.5 锂电池 锂电池是新开发的一种优良电池，现已使用较多。电压为3V。漏电小，储存寿命可达5年以上，其容量才降低5％。温度特性好，价格比氧化银电池便宜。如用于A级放电，使用时间可同储存寿命。主要特点如下： 1​ 高电压：标称电压为3V，用时方便； 2​ 高能量密度：是锰锌电池的5～10倍； 3​ 耐长期使用与贮存稳定性好：由于它的化学性能，热性能稳定，长期自 放电小，放气体效应小，故泄漏溶液极少； 4​ 放电电压曲线平坦：因它的内阻很稳定； 5​ 温度性能好：锂电池采用有机电解液，温度范围很宽，-40～+85℃。 (6)安全性：因正极采用氟化炭固体，遇热化学稳定性好、不分解、不腐蚀。图2-3及图2-4为锂电池放电特性。 图2-3 锂电池长时间连续放电特性 图2-4 锂电池放电时间与温度的关系 2.1.4.2 充电电池组 可充性二次电池是一种储能元件，也是一种最稳定的直流电源，被移动通信、手机、摄像机、笔记本电脑等便携式仪器直流电源。目前广泛应用的二次性电池主要有五类，它们是：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂金属电池及锂离子电池。为便于对这些二次性电池性能有所了解，在表2-2中对它们的性能特点作了简单的比较。 表2-2 几种二次电池性能比 电池种类 标体电压（V） 能量/重量比Wh/kg 能量/体积比Wh/L 功率/重量比W/kg 功率/体积比 W/L 自放曲率%/日 寿命循环次数 次 成本 环保 铅酸电池 2.0 35 70 220 400 4-8 250-500 低 镍镉电池 1.2 40-60 40-100 140-220 220-360 10-20 300-700 低 不利 镍氢电池 1.2 60 220 130 475 30 300-500 低 有利 锂金属电池 3.0 100-200 150-235 >200 400 1 200-1000 高 不安全 锂离子电池 3.6 115 260 200-250 >360 5-10 500-1000 高 有利 以前有两种普通充电电池，即铅酸电池和镍镉电池，他们的能量密度与原电池差别非常大，同时又含有重金属，因而受到环保法规的限制。正因为这些原因，从而刺激了其他技术的发展。其中主要有镍金属氢化物（NiMH）和锂离子技术。以下为一些可充电电池的特点。 2.1.4.2.1 铅酸电池 铅酸电池属于酸性蓄电池类，已有百余年的历史。由于它的制造工艺简单、价格便宜、容量大，所以是目前使用量最多的二次性电池，广泛应用于交通、应急灯、家用灯、家用逆变器及功率较大的移动电子产品。 铅酸电池基本工作原理如图2-5所示。铅酸电池主要有正负极板、点解质以及电池槽等组成，电解质是稀硫酸液。当两极间放入稀硫酸电解液时，正极板活性物二氧化铅（PbO2）与负极板上的活性物质海绵状铅（Pb）将发生充放电的化学反应，使两极板间产生电动势。其化学反应式如下[6]： 在放电过程中，电解液比重下降，电池内阻增大，电动势降低，放电终了时，电动势可下降到1.8V左右。 在充电过程中外接直流电源。当外接直流电源的电压高于电池的电动势时，电流从正极板流入电池，经过电解液从负极板流出，这样负极板会出现过剩的负电荷，而正极板会出现过剩的正电荷，使电池的电动势增加，极板上的活性物质被还原。 图2-5 铅酸电池基本工作原理 铅酸电池放电完后应立即充电。比较常用的方法为分级定流充电法，第一段用10小时率电流充电6～7小时，使电池电压达到2.4V/只。第二阶段用20小时率电流充电14～17小时。充电电流及充电时间之间的关系为： 式中：C——铅酸电池的标称容量Ah； 10——电流常数，20小时率充电时取20（h）； K——所需充入标称容量的倍数，取1.3C。 这种充电方法所用的充电时间很长，于是又出现了快速充电法。快速充电法是一种脉冲电流充电，采用充电—停止—放电—充电的工作模式，可使充电时间减小到1~2小时。 正因为如此，镍镉电池在飞机启动、卫星通信、计算机、电子仪器及各类电子产品中到了广泛的应用。但由于镍镉电池对环境存在污染，今后会逐渐被镍氢电池和锂离子电池所取代。 2.1.4.2.2 镍氢电池 镍氢电池与镍镉电池相似，也可分为圆柱形和矩形结构。镍氢电极的正极板材料为镍化合物，负极极板材料为吸氢的合金，电解液为30%的KOH水溶液，隔膜采用多孔维尼龙无纺布或尼龙无纺布，镍氢电池与镍镉电池的不同之处在于它用吸氢合金代替了镍镉电池中的镉，解决了镉对环境污染的问题。镍氢电池具有以下特点[7]： 1镍氢电池能量密度高、容量大，是镍镉电池的1.5～2倍。 2镍氢电池电压1.2V，可与镍镉电池互换。 3内阻低，可快速放电。 4可快速充电，使用安全。 5寿命长、可靠性高、性能好，不污染环境。 6价格低。 镍氢电池放电电流对放电电压和放电容量的关系如图2-6所示。曲线表明，放电电流越大，在相同的放电容量事，放电电压越低，在相同的放电电压下，放电容量越低。 图2-6 镍氢电池的放电特性 2.1.4.2.3 锂离子电池 虽然锂金属电池能量高、自放电率低，但由于采用金属锂做负极材料，使电池存在着安全方面的问题，所以，锂金属电池一直没有得到大量的应用。后来人们又研制成功了锂离子电池，取代了锂金属电池。 锂离子电池有圆柱形和矩形两种基本结构，如图2-7所示。它的正电极包括由锂(Li)和二氧化钻(CO2)组成的锂离子收集极和由薄膜组成的电流收集极。它的负极则由片状碳组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成，在正负极问采用一种非常精细而浸透性很强的聚乙烯薄膜做隔离材料。电池中充满了LiPF6有机电解质溶液。为了避免使用不当造成电池的损坏，通常在锂离子电池中设有三种安全机构：一种是正温度系数的PTC元件，当电池温度升高时，PTC的阻值会增大，自动将负极引线与负极之间的电路切断；另一种是安全阀，当锂离子电池内的压力增高到一定数值时，安全阀会自动打开降压；还有一种就是用特种材料制成隔板，当锂离子电池内的温度升高到一定数值时，隔板上的微孔会自动溶解掉，从而使电池内的反应停止。 图2-7 锂离子电池结构 充电时，正极中的锂原子电离成锂离子和电子，通过电解质由正极移向负极，并在负极和电子复合成锂原子，嵌入到碳层中间。放电时，嵌入碳层中的锂原子脱离负极，在负极表面电离成锂离子及电子，分别通过电解质及负载向正极流动，在正极表面复合成铿原子，然后嵌入到氧化钻铿品状层中。从以上不难看出，锂离子电池的充放电过程是锂离子在正、负极问的往返移动。 锂离子电池的额定电压为3.6(有的产品为3.7)。充满电时的终止充电电压与电池的正极材料有关，正极材料为石墨的为4.2V，正极材料为焦碳的为4.2V。 锂离子电池有以下特点[ 7 ]。 ． 1工作电压高。单只锂离子电池电压为3.6V，这相当于三只镍镐或镍氢电池的串联电压； 2不污染环境。锂离子电池中不含镉、铅等污染环境的物质材料； 3能量密度高、体积小、重量轻； 4无记忆效应，充电前不需要放电； 5输出容量大。锂离子电池具有1.5C连续放电能力； 6寿命长。正常工作条件下，锂离子电池充放电寿命次数比其他二次性电池高，为500~1000次； 7可快速充电。但充电速率不能超过1C； 8价格高，且无法与镍镉以及镍氢电池互换。 锂离子电池的充电特性曲线如图2-8所示。曲线表明了充电电压、充电电流及充电时间之间关系。 锂离子电池的放电特性曲线如图2-9所示。开始放电时的充电足电压为4.2V，终止放电电压为3.0V。对同一电池而言，放电电流大小不用，放电终止的时间也大小不相同。 图2-8　锂离子电池充电特性曲线　 图2-9 锂离子电池放电特性曲线 使用锂离子电池时应注意以下几点[ 7 ]。 1锂离子电池不适合大电流放电，使用时放电电流应小于生产厂给出的最大放电电流； 2锂离子电池的终止放电电压一般规定为2.55～2.75V，使用时，放电终止电压不应低于规定值，否则会影响电池的使用寿命； 3锂离子电池对充电条件的要求是很高的。它要求有精密的充电电路，可保证充电电压为4.2 0.042V，过压充电会造成锂离子电池永久性的损坏； 4锂离子电池一般使用的充电率为（0.25～1）C，充电时要有限流电流，以免发生过流充电。在大电流时要检测电池的温度，以防过热损坏电池或发生爆炸。 2.2常用于可充电便携设备的几种电池的特点及其性能的比较 2.2.1可充电电池的主要参数 可充电电池有5个主要参数: 电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量由电池内活性物质的数量决定, 通常用毫安时mAh表示, 1000mAh 就是能以1A的电流放电1h, 换算为所含电荷量大约为3600C。电池正负极之间的电势差称为电池的标称电压. 标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、工作状态变化时，电池的输出电压略有变化；此外,电池的输出电压与电池的剩余电荷量也有一定关系。一般情况下单元镍镉电池的标称电压约为1.3V(一般认为大约是1.25V),单元镍氢电池为1.25V,单元锂离子电池为3.6V。电池的内阻由极板的电阻和离子流的阻抗决定，在充放电过程中,极板的电阻是不变的,但离子流的阻抗将随电解液浓度和带电离子的增减而变化。一般来讲单元镍镉电池的内阻为7～19mΩ ,单元镍氢电池的内阻为18～35mΩ ,单元锂离子电池的内阻为80～100mΩ[ 8 ]。 可充电电池充足电时,极板上的活性物质已达到饱和状态,再继续充电,蓄电池的电压也不会上升,此时的电压称为充电终止电压.单元镍镉电池的充电终止电压为1.75-1.8 V, 镍氢电池为1.5 V, 锂离子电池为4.2 V。放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续放电, 电池两端电压会迅速下降,形成深度放电,这样,极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复,从而影响电池的寿命。放电终止电压和放电率有关,一般来讲单元镍镉电池的放电终止电压为1.1V,镍氢电池为1V, 锂离子电池为2.7V。 2.2.2几种常用于可充电便携设备电池的特点及性能比较 随着便携设备的普及,可充电电池在人们的日常生活中已随处可见,成为必不可少的日常生活用品之一。当前，便携式充电电池主要有镍镉电池(Ni-Cd)、镍氢电池(Ni-H)及锂离子电池（包括液态电解质的LIB及聚合物电解质LPB）。下面列出三种电池的特点及性能比较： 2.2.2.1镍镉电池(Ni-Cd) 镍镉电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物,负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉,电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。值得注意的是镍镉蓄电池过充电时,将使电池内发生分解水的反应,在正、负极板上将分别有氧气和氢气析出。气泡聚集在极板表面,将减小极板表面参与化学反应的面积并且增加电池的内阻。这些气体,如果不能很快复合为水,电池内部的压力就会显著增加,这样将损伤电池,所以压力过大时,密封电池将打开放气孔,从而使电解液逸散；但若反复通过放气孔逸散气体, 电解液的粘稠性将增大,极板间离子的传输变得困难, 电池的内阻将显著增加,电池容量下降。 镍镉电池使用过程中, 如果电量没有全部放完就开始充电,下次再放电时, 就不能放出全部电荷量。比如, 镍镉电池只放出80%的电荷量后就开始充电, 充足电后,该电池也只能放出原来80%的电量,这种现象称为“记忆效应”。其主要出现在一些放电终止电压被设定得较高的设备中,每次电池没有完全放电,设备就自动关机了,长期如此电池就会出现严重的“记忆效应”, 可用电容量越来越少. “记忆效应”出现的主要原因是电池部分放电后, 氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍, 剩余的氢氧化亚镍将结合在一起, 形成较大的结晶体,变大的结晶体一般难以还原, 造成了电池内活性物质减少。 镍镉电池是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类, 它耐过充放电能力强、维护简单. 但其相比镍氢电池和锂离子电池而言有很多缺点, 如: 在充放电过程中如果处理不当, 会出现严重的“记忆效应”, 使用寿命大大缩短; 镉是有毒的, 因而镍镉电池不利于生态环境施保护等等. 众多的缺点使得镍镉电池现已基本被淘汰出数码设备的应用范围[8]。 2.2.2.2镍氢电池(Ni-H) 镍氢电池的容量比镍镉电池大,一般为两倍左右,其正极的主要成分为氢氧化镍,负极主要为无污染物质的合金粉,电解液是30% 氢氧化钾水溶液。镍氢电池的反应与镍镉电池相似,过充电时, 正极板析出氧气,负极板析出氢气。但由于有催化剂的氢电极面积大,氢气能够随时扩散到氢电极表面, 所以氢气和氧气能够相对容易的在蓄电池内部再化合生成水,使容器内的气体压力基本保持不变。虽然如此,长时间过充后,电池内气压过高,就可能会爆炸。 镍氢电池也有记忆效应,但相对镍镉电池较小。镍氢电池或镍镉电池的记忆效应一般可以通过几次深充深放来缓解。深放电一般要把电池的电压放到放电终止电压以下,对于单个电池一般为1V以下,但不可过低,否则将造成较大的永久性损害。最好不要用自制的设备进行深度放电,尤其是用一根导线和一个小灯泡将电池正负极相连进行放电的手段更不可取,因为这样无法控制放电电压,电压过低会严重的损害电池。建议使用带有放电功能和过充保护功能的设备来进行深充和深放。 镍氢电池内阻小,可供大电流的放电,放电时电压的变化很小;并且废旧电池易于回收再利用,对环境的破坏也最小;其成本和价格较低,作为直流电源是一种质量极佳的电池。镍氢电池主要可以用于制作柱式可充电电池,在时钟、电子游戏机、数码相机、摄像机和部分笔记本电脑中有所应用[8]。 2.2.2.3锂电池(Li) 锂电池分成两大类:不可充电的和可充电的。不可充电的电池称为一次性电池,它只能将化学能一次性地转化为电能,不能将电能还原回化学能, 如锂二氧化锰电池等。可充电的称为二次性电池,也就是俗称的锂离子电池(Li-Ion)。锂离子电池的正极是含锂的过渡金属氧化物,负极是碳素材料,如石墨等,电解质是含锂盐的有机溶液. 电池中无论在正负极还是在电池隔膜中,锂都是以离子形式存在的。电池在工作时,锂离子在正负极及电解质隔膜中定向运动。当电池充电时,正极释放出锂离子到电解质中,这个过程是脱嵌；负极从电解质中吸入锂离子, 这个过程是嵌入。而电池放电过程和上述情况正好相反,这种充放电时锂离子往返的嵌入和脱嵌的过程就好像摇椅一样摇来摇去, 故有人形象的称锂离子电池为“摇椅电池” 。 锂离子电池与镍镉电池和镍氢电池相比,有很多优点。锂离子电池不存在记忆效应；相同的电容量下,体积非常小；使用电压为3.6V,是镍镉电池、镍氢电池的3倍；可使用的温度范围广( - 20℃～60℃) ,而镍氢电池为( 0℃～50℃)。同时锂离子电池的自放电率也比较低。自放电率,是指在一段时间内,电池在没有使用的情况下,自动损失的电量占总容量的百分比。一般在常温下,镍镉电池的自放电率为每月13% ～15%, 镍氢电池为每月25%～35%, 而锂离子电池只有每月5%～8%。 但锂离子电池也有一些令人不满意的地方。如:锂离子电池有使用寿命, 一般为两年,并且在不使用的状态下存储一段时间后,其部分容量会永久的丧失。锂离子电池的正负极材料从一出厂就已经开始了它的衰竭历程,不同温度和电池充饱状态,对其影响不同,如表2-3数据( 所剩的电容量占原来电容量的百分比) 所列 表2-3 存储环境温度 40%充电状态 100%充电状态 0℃ 98%（一年后） 94%（一年后） 25℃ 96%（一年后） 80%（一年后） 40℃ 85%（一年后） 65%（一年后） 60℃ 75%（一年后） 60%（3个月后） 由此可见,存储温度越高和电池充得越饱,其容量损失就越厉害。所以不推荐长期保存锂离子电池,如果手中有闲置的电池,那么存储时充电水平不要超过40%,温度最好低于15℃或更低。而镍氢电池和镍镉电池则几乎不受时效影响,长期存储的镍基电池在进行几个深充深放以后就可以恢复其原始容量了。但深充深放不能恢复锂离子电池的容量,并会对正负极造成永久的损坏。从分子层面看, 过度放电将导致负极碳过度释出锂离子,而使得其片层结构出现塌陷,过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。 由于锂离子电池的众多优势还是使其应用前景非常看好,主要在数码相机、摄像机、手机、PDA、笔记本电脑中作为电源使用。目前在锂离子电池研究领域的热点是将其应用在车辆中,制成电动汽车或与汽油并用的混合电动汽车。同时人们也在研制真正意义上的固态锂电池,彻底摒弃锂离子电池中的有机液体, 让锂电池成为最安全可靠的电池. 总之, 锂离子电池和镍氢电池等各有自己的优缺点和适用范围。电池的型号和规格不同也会出现一些差异[8]。 第3章​ 用于便携设备的各种电源电路的比较 在设计便携设备时，提高产品性能、延长电池工作时间是设计人员需要面对的两个问题。出于对成本和体积的考虑，在设计时往往牺牲系统的某些指标而做一些折衷。新型的电源电路不仅能够保证系统可靠工作，满足对性能指标的要求，同时可以有效地延长电池的寿命。电源的主要参数为：成本、效率（电池寿命）、输出中的脉动、噪声及静态电流。表3-1列出了适合不同输入电压、输出电压的电路，并比较了它们的性能。下面结合表3-1比较各种电源电路的特点[9]。 表3-1 不同结构电源的比较 输出电压Vout 成本 高效率 低噪声 低静太电流 Vout>>Vin LDO线性稳压器 A D A A 稳压电荷泵 B B C C 电荷泵+LDO C B A D DC-DC降压 C A C B DC-DC降压+LDO D B A C VinMIN=?Vout LDO线性稳压器 A B A A DC-DC降压 C A C B DC-DC降压+LDO D C A C DC-DC升压+LDO D B B C 升降压 D B D C VinMIN>Vin 稳压电荷泵 B C C C 电荷泵+LDO C C A D DC-DC升压 C A D B DC-DC升压+LDO D B B C 3.1低压差线性稳压器（LDO） 低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图3-1所示，该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成[9]。 图3-1 低压差线性稳压器基本电路图 取样电压加在比较器A的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。 低压差线性稳压器的成本低，噪声低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接无件也就少，通常只需要一两个旁路电容，新的LDO线性稳压器可达到以下指标：输出噪声30μV，PSRR为60dB，静态电流为6μA，电压降只有100mV。LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流；另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力，输入和输出之间的电压差不可以太低；而P沟道MOSFET上的电压降太致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低。 如果输入电压的输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。所以，在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中太多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最后有百分之十是没有使用，LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长，同时噪音较低。 3.2电荷泵 电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。电荷泵电压反转器是一种DC/DC变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即U0＝Ｕi。另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即Ｕ0=2Ｕi。由于它是利用电容充电、放电实现电荷转移的原理构成的，所以这种电压反转器也称为电荷泵变换器电路。虽然有一些DC/DC变换器除可以组成升压、降压电路外，也可以组成电压反转器电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路简单，尺寸小，并且转换高、能耗少，所以它获得了及其广泛的应用[10]。 基本的电荷泵电路成本较低, 它的最大优点是无需电感, 外围电路只需几个电容, 体积较小, 能够提供的高效率固定开关频率时产生较大的噪声和静态电流。另外, 这种结构的输出电压只能是输人电压的倍数, 利用四个内部开关和一个外部飞电容能够获得输入电压的数倍或一倍输出也可以使用多级结构获得其它倍数的电压, 但成本和静态电流也会增加,所以, 在传统的设计中, 电荷泵结构很少与电池直接相连,而是用于产生系统的辅电源, 为小电路模块或某一器件供电。但从目前的发展趋势看, 新型的电荷泵输出电流越来越大, 而便携式产品的功耗则越来越低。同时,对于采用电池供电的便携式电子产品来说,采用电荷泵变换器来获得负电原或倍压电源,不仅减少了电池的数量、产品的体积和质量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用， 所以在有些便携设备产品中，选用电荷泵做系统的主电源。 电荷泵变换器的基本工作原理如图3-2所示。它由振荡器、反向器及四个模拟开关组成，外接两个电容C１、C２构成电荷泵电压反转电路。 振荡器输出的脉冲直接控制