DCDC便携移动电源的研究和设计.docx

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DCDC便携移动电源的研究和设计

DC-DC便携移动电源的研究和设计

DC-DC便携移动电源的研究和设计

【摘要】：

目前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为了解决续航问题需要一种移动电源。

因此本文设计了一款基于DC-DC升压型移动开关电源的电路，该电路采用聚合物电池电源管理方案实现，能满足5V移动设备的续航要求。

电路中主要由LM2577来控制锂电池充电模块的工作与休眠，实现锂电池电量的显示以及电源输出的开关，同时也控制DC-DC升压电路的工作与否。

该设计主要是实现聚合物电池的充电以及放电。

设计的主要理念是利用单片式开关稳压器LM2576-ADJ构成Buck变换器,不稳定直流电压仍采用线性电源方法获得,输出直流电压既保持了线性电源宽范围连续可调的特点,又具有开关电源高效率的优点,电路简单,实用性强。

实现电能的高效率转换。

该移动开关电源具有输出电压纹波小，转换效率高，最高转换效率达到89%，具有良好的性能和负载调整能力。

开关电源最大的应用领域是在通信行业。

近十年来我国通信事业快速发展，通信电源也同步增长。

日本和美国的电子工业和通信业很发达，因此对电源的需求量非常大。

在2000年，由于亚洲通信事业的高速发展，对电源供应和管理电路的需求量在全球市场上的比例升至10%，并且这个比例在今后一段时间还将迅速增长，从而成为世界上最有发展潜力的电源供应市场之一。

【关键词】：

DC-DC转换；开关电源；LM2577；移动电源

[Abstract]:

Atpresenttherisingofourlivingstandard,carryatypeofelectronicproductsisalsomoreandmoreinordertosolvetheenduranceproblemneedamobilepowersupply.Sointhispaper,basedonaDC-DCboostertypemobileswitchpowersupplycircuit,thecircuitusingpolymerbatterypowermanagementschemetorealize,andcansatisfy5vmobiledevicesendurancerequirements.ThemaincircuitbyLM2577tocontrolthelithiumbatterychargingmodulesworkandresting,realizelithiumbatterypowerdisplayandpoweroutputswitch,atthesametimealsocontrolDC-DCboostercircuitworkornot.Thisdesignmainlyistorealizepolymerbatterychargeanddischarge.DesignofthemainideaistousesinglechipswitchregulatorLM2576-ADJconstituteaBuckconverter,unstabledcvoltagestilluselinearpowersupplymethodsofobtaining,outputdcvoltagecanbelinearpowersupplywiderangecontinuousadjustablecharacteristics,butalsohastheadvantagesofhighefficiencyswitchingpowersupply,circuitissimple,strongpracticability.Torealizethehighefficiencyelectricenergytransfer.Themobileswitchingpowersupplyhastheoutputvoltagerippleissmall,highconversionefficiency,thehighestconversionefficiencyreached89%,hasgoodperformanceandloadadjustmentability.Switchingpowersupplythebiggestapplicationfieldsareinthecommunicationsindustry.InthepasttenyearstherapiddevelopmentofChinesecommunicationbusiness,communicationpowersupplyandsynchronousgrowth.JapanandtheUnitedStatesofelectronicindustryandcommunicationindustryisverydeveloped,sothepowerdemandisverybig.In2000,duetotherapiddevelopmentofAsiancommunicationbusiness,thepowersupplyanddemandmanagementcircuitintheglobalmarketproportionto10%,andtheproportioninthefutureperiodoftimewillberapidgrowth,soastobecometheworld'smostdevelopmentpotentialofthepowersupplyofthemarket.

[Keywords]:

DC-DCconversion;Switchingpowersupply;LM2577;Mobilepower

前言

开关电源以其体积小、重量轻、变换效率高被广泛应用于电子设备中。

其电路拓扑有多种形式,无工频变压器的开关电源最具吸引力,但这种电源只适用于输出电压固定或变化范围不大的场合,而不适和要求输出电压幅度变化很大或连续可调的场合。

利用单片式开关稳压器LM2576-ADJ替代线性稳压串联开关式稳压电源,在电路中只需增加续流二极管和储能电感等几只元器件,使电路更加简洁,除具有线性电源宽范围连续可调的优点外,同时使电源效率得到了大幅度提高,在负载较轻时,不加散热器也能正常工作,又使整机的重量和体积有所减小。

开关电源最大的应用领域是在通信行业。

近十年来我国通信事业快速发展，通信电源也同步增长。

日本和美国的电子工业和通信业很发达，因此对电源的需求量非常大。

在2000年，由于亚洲通信事业的高速发展，对电源供应和管理电路的需求量在全球市场上的比例升至10%，并且这个比例在今后一段时间还将迅速增长，从而成为世界上最有发展潜力的电源供应市场之一。

2004年全球嵌入式DC-DC转换器的出货量约为1.21亿只。

针对这些不同的应用，性能管理、热效能管理等都非常重要。

在第十二届国际集成电路研讨会上也道出中国的半导体消费在未来的几年内仍将保持高速增长，到2010年中国芯片的产值将超过1000亿美元，因此电源管理芯片有极大的发展空间。

中国在电源管理IC方面起步较晚，但是进步相当迅速。

比如国内的圣邦微电子、长运通、美芯等都开始崛起，推出了自己的电源管理IC。

圣邦微电子己经推出的电源管理IC主要针对手持设备，主要是一系列以低功耗、低噪声、高PSRR为特征的芯片；关注的重点也是MP3、MP4、手机等便携式手持设备市场。

台湾地区进军电源管理市场也比较晚，但是近二十年来发展也很快，在2004年台湾前七大电源管理芯片厂商的营收总和比前一年增长了24.4%，占全球电源管理芯片的5.5%。

移动电源早在10年前已经出现，只是一直没有普及和火热起来，主要是前些年电子便携式产品的增长和普及没有现在迅速，移动电源的发展将会推动电池行业的革新，电池电芯将会向高容量、小体积、低污染发展。

而目前数码产品市场的快速增长中伴随着这样的发展趋势：

产品功能多样化、显示屏幕大尺寸且彩屏化、机型更加轻薄小巧，但是实现这些特点都会加快电量的消耗，并须减小电池体积。

为了满足高端商务客户和移动人群对数码电子产品的使用要求，移动电源的地位将会更加突出。

第1章概述

第1.1节DC-DC移动电源简介

DC-DC移动电源转换系统是利用电能转换技术将电池或其他直流电源等一次电能转换成适合各种用电对象的二次电能供应的装置，是电子工业的基础产品，一切便携式电子设备的动力心脏。

DC-DC电源转换系统的性能直接影响到整个电子系统的安全性和可靠性指标。

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们工作和生活的关系变得日益密切。

同时，电子产品正向多元化发展，对电源的设计要求变得越来越高。

近几十年来，在微电子技术推动作用下，DC-DC开关电源转换技术得到了飞速发展，成为了电源管理系统的一个重要分支。

就目前的发展状况来看，电源管理处于电源技术的核心地位，从2006年在深圳召开的全球半导体大会可以看出目前电源管理在半导体市场中所处的位置，目前电源管理市场的增长超过半导体行业的增长。

这里主要有三点因素，基于此既能看到机遇，同时也显示出极大的挑战。

一是便携性需求增加，但对电池管理和电源管理要求也更高;二是节能要求，要求市场当中采取新的方法实现节能，如果要使用高效率电源管理的话就需要不断创新的电源管理方法，这就对电源管理芯片设计者们提出了新的要求，比如必须有待机状态的电源管理，或者采用新的技术进一步减小芯片内部的功耗;三是不同的应用领域也推动电源管理市场的发展，目前市场出现高度的多元化，包括PC、手机、数字电视、掌上电脑、数码相机等等，很多应用都要求有更长的电池寿命，重量轻，体积小等。

新兴市场和新兴应用将是半导体发展非常重要的两点，也是电源管理发展的重点。

第1.2节DC-DC移动电源的发展与趋势

开关电源最大的应用领域是在通信行业。

近十年来我国通信事业快速发展，通信电源也同步增长。

日本和美国的电子工业和通信业很发达，因此对电源的需求量非常大。

在2000年，由于亚洲通信事业的高速发展，对电源供应和管理电路的需求量在全球市场上的比例升至10%，并且这个比例在今后一段时间还将迅速增长，从而成为世界上最有发展潜力的电源供应市场之一。

2004年全球嵌入式DC-DC转换器的出货量约为1.21亿只。

针对这些不同的应用，性能管理、热效能管理等都非常重要。

在第十二届国际集成电路研讨会上也道出中国的半导体消费在未来的几年内仍将保持高速增长，到2010年中国芯片的产值将超过1000亿美元，因此电源管理芯片有极大的发展空间。

中国在电源管理IC方面起步较晚，但是进步相当迅速。

比如国内的圣邦微电子、长运通、美芯等都开始崛起，推出了自己的电源管理IC。

圣邦微电子己经推出的电源管理IC主要针对手持设备，主要是一系列以低功耗、低噪声、高PSRR为特征的芯片；关注的重点也是MP3、MP4、手机等便携式手持设备市场。

台湾地区进军电源管理市场也比较晚，但是近二十年来发展也很快，在2004年台湾前七大电源管理芯片厂商的营收总和比前一年增长了24.4%，占全球电源管理芯片的5.5%。

开关电源是电源管理中非常重要的一员，被誉为“高效节能电源”，它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。

开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，自身消耗的能量很低，电源效率可达70%~80%，比普通的线性稳压电源提高近一倍。

开关电源亦称为无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。

自上世纪60年代开关电源问世以来，经过40余年的高速发展，其经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术和开关电源系统的集成技术三个发展阶段。

当今开关电源更是发展势头良好，向着效率更高，体积更小，电磁污染更少，可靠性更高的“四更”方向发展，出现了四大明显趋势:

一是非隔离DC-DC技术迅速发展；二是开关电源数字化趋势明显，目前大多数的模拟电路系统都逐步实现了数字化，近年来数字电源也初现端倪，据报道TI公司己经研发出了多款数字式PWM控制芯片；三是初级PWM控制IC不断优化，这是针对隔离式DC-DC变换器而言的，随着技术的不断发展和各大公司不遗余力的研究，在初级端采用的有源箱位技术己经做到了完美无缺的地步，全桥移相技术也达到了顶峰；四是同步整流技术实现高效率，该技术自诞生以来使得开关电源技术得到了极大的发展。

目前同步整流技术都在努力实现ZVS（ZeroVoltageSwitching）,ZCS（ZeroCurrentSwitching）方式的同步整流，综合采用软开关技术和同步整流技术的中小功率的DC-DC变换器其效率都在89%以上。

总之，高效、小型化、集成化、智能化以及提高可靠性是大势所趋，也是今后的主要发展方向。

第1.3节本文研究的意义

随着便携式产品的增加，户外电子产品在商旅、长途旅行等用途上大功率的便携式移动产品的电池已不能满足产品的供电。

新兴的便携式电子产品也需要移动电源充电器，如迷你便携音响，GPS等车载用品，需求量大！

记者在深圳深圳会展中心近期举行的高交会了解到，很多国内外的采购商还第一次接触移动电源产品，这也是本次会展的一大亮点，采购商们一致认为移动电源以后的普及度不亚于数码相机等传统数码产品，观展后很多采购商纷纷到华强北市场寻找移动电源货源。

移动电源早在10年前已经出现，只是一直没有普及和火热起来，主要是前些年电子便携式产品的增长和普及没有现在迅速，移动电源的发展将会推动电池行业的革新，电池电芯将会向高容量、小体积、低污染发展。

而目前数码产品市场的快速增长中伴随着这样的发展趋势：

产品功能多样化、显示屏幕大尺寸且彩屏化、机型更加轻薄小巧，但是实现这些特点都会加快电量的消耗，并须减小电池体积。

为了满足高端商务客户和移动人群对数码电子产品的使用要求，移动电源的地位将会更加突出。

第2章移动电源基础

第2.1节移动电源的定义

移动电源一种集储电、供电和充电功能于一体的便携电池充电器。

可以给手机、平板电脑、相机等数码设备随时随地充电或待机供电。

有于技术不段发展，新的功能应用也逐步增加，如LED照明。

太阳能电池技术的融合等一般由锂电芯电池、太阳能电池或者干电池作为储电单元。

区别于产品内部配置的电池，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”，由于适应多种产品所以一般配备多种电源充电转接头，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、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。

第2.2节移动电源的适用范围

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。

●通用性

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。

●实用性

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。

此时移动电源能解决你的烦恼。

●移动性

移动电源的移动性是指产品能在移动状态下（例如旅游，开会，充电器不在身边或不方便充电情况下）发挥其功用，即在任何地点、任何时间不受局限地给数码产品供电或充电，真实地给人以踏实感，使生活和工作品质得以提升。

第2.3节移动电源的技术

移动电源可以通过USB电缆线使用在任何符合USBOn-The-Go（USB-OTG）（国际标准）的便携型设备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不过对于使用电压较高的相关数码产品，比如手提之类的，则需要配置输出电压较高的移动电源，这个与移动电源本身实际的容量成正比。

对移动电源来说，它具有一定的应急功能，在众多的数码产品电源不能蓄电的情况下，可以通过某些装置供电，以达数码产品正常工作的效果。

如市场出现的太阳能移动电源、手摇发电机的移动电源、智能机备用电源。

移动电源的工艺性是指产品的外观设计参入了消费者的大众或者小众的审美观。

作为随身携带且具有一定功用的电子产品，消费者很注重其外观的美观性，所以现在主流厂商不仅在加大电池电源管理技术革新的同时，也在加大符合消费者审美观的产品外观的研发。

第2.4节移动电源工作原理

储电介质一般采用锂电电芯，因为锂电电芯体积相对小巧，容量大，市场流通广，价格适中，被广泛用于数码产品。

锂电的电压在2.7-4.2V之间，电压随着电量的下降而下降。

而2.7-4.2V的电压是不能直接给其它数码产品充电的，因为数码产品的锂电电压也是2.7-4.2V,同电位的电压之间是不能充电的。

所以移动电源向外输出电能是必须要有升压系统，把2.7-4.2V的锂电电压升压到5V，这样就可以给其它数码产品充电了。

当然，移动电源不是一次性设备，它可以反复使用数百次以上。

所以当移动电源电能使用完后，我们必须给移动电源充电。

其原理和给手机充电一样。

连接到5V的USB电脑接口或USB充电器上即可给移动电源充电。

所以移动电源内部还必须有充电管理系统。

充电管理系统能根据锂电的电压，自动调节充电电流。

过程有：

预充，恒压充电，和浮充充电等。

第2.5节移动电源的基本构成

移动电源采用聚合物电池作为中心元件，首先给聚合物电池充电，因为电池成本比较高，而且为了提高系统的安全性要有一个充电管理系统。

当需要给便携式设备充电时，聚合物电池放电，因为便携式设备普遍输入电压为5V，所以有一个升压系统。

移动电源的基本构成如图1-1所示：

图1-1移动电源基本构成

●电源电芯

常用的有聚合物锂电、18650锂电、AAA镍氢电池。

聚合物锂离子电池：

标准电压3.7V，形状较多，可定制，具有容量大、性能稳定、体积和形状任意变化、一般为软包形态。

根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两大类。

聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，正极材料可分为钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂材料，负极为石墨，电池的工作原理也基本一致。

它们的主要区别在于电解质的不同，液态锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶体电解质18650锂电：

直径18mm长度65mm圆柱型电池。

标准电压3.7V，具有体积小，容量大的特点。

AAA镍氢电池：

标准电压1.2V。

容量相对较小。

应该广泛，家用电器，玩家的等，也就是常见的干电池。

●升压系统

升压主流技术基本采用DC-DC的升压方式。

国内技术转换效率普遍低，一般在50-70%，台湾的在75-80%，美国的相对会高些86-95％。

也有降压方案的，效率比较高，但对电芯的一致性要求高，所以目前几乎不轻易采用。

只有在带有9V-12V输出移动电源上，但对技术要求很高。

●充电管理系统

移动电源电池无电时也需要充电，为了体现移动电源的通用性充电一般设定为5V目前国内充电管理系统比较成熟，电芯电压从2.7V到4.2V，都会由智能IC监控整个充电过程。

主流管理IC有PT4056,PX40等。

充电时间5000maH大约8小时。

过快充对电池的寿命有不良影响。

充电管理IC充电管理失效，会造成移动电源电池永久损坏，或燃烧甚至爆炸。

目前低廉的移动电源多办未使用智能充电保护IC。

第3章移动电源硬件设计方案

第3.1节移动电源系统框架结构

本文论述的电路系统设计由二部分组成：

充电管理电路、DC-DC升压电路。

如图3-1所示。

图3-1硬件设计方案

由目前大众的消费观和需求，一个可以提高储能效率的可移动充电电源成为一种值得去研究和设计的课题，在户外的旅行和其他不能找到市电插孔的情况下它可以说是功不可没的，本设计思路主要是能将市面上普遍的、成本低、效能高的聚合物电芯作为一种载体将能量进行储能随身携带以方便便携式设备的供电。

第3.2节硬件设计框图

该设计首先是将聚合物电芯进行储能，此设计可以用大家常用的手机充电适配器进行5V电压充电，这时候就需要设计一个充电电路，充电过程中会有电池容量指示灯显示以提示用户聚合物电芯是否充满电，下图3-2就是DC/DC转换，产品使用的过程就是将聚合物电芯2.7-4.2V电压进行DC/DC转换成为所需要的5V手机充电电压，将储能电池的“粗电”转化为“细电”以提高手机电池使用寿命和充电效率。

图3-2

在使用的过程中大家只需要用220V线连接移动开关电源的输入端，另一端连接5V充电电压的用电设备拨动输出开关就可以进行便携式设备的充电了，充电过程主要有四种基本充电模式：

涓流充电、恒流充电、恒压充电和充电完成与再充电。

这样主要是为了能有效保护便携式设备的电池和使其达到最大储能。

同时在电路中加有充电显示LED灯，用户可以在使用过程中知道在给锂电池充电。

在电流充电过程中肯定要有过流过载和短路保护。

第3.3节LM2576稳压器

LM2576-ADJ美国NS公司生产的单片降压式开关稳压器,由振荡器、取样放大器、比较器、PWM调制器、功率开关等部分组成。

采用TO2220封装,仅有5只管脚,外形和塑封晶体管差不多。

其功能框图及引脚排列如图3-3、图3-4所示。

图3-3　LM2576功能框图

图3-4　LM2576引脚排列

　LM25762-ADJ是输出电压可调型,其技术参数为:

输入电压3.5～40V;输出电压1.23～37V;输出流3A;振荡器固定频率52kHz;TTL关闭能力及低功率备用状态;具有热关闭和限流保护功能。

其典型用电路如图3-5所示（输出电压连续可调）,当直流输出端直接接于控制端4脚时,可输出固定电压。

LM2576系列产品是现流行的三端线性调整器的替代品。

图3-5　LM25762-ADJ典型应用电路

这个LM1577/LM2577是单片集成电路,提供所有的力量和控制功能（提高）升压,回程,向前转换器转换监管机构。

该设备可在三个不同的输出电压版本:

12v,15v,可调。

需要一个最低数量的外部组件,这些监管机构是成本有效的、简单的使用。

这个数据表中列出的是一个家庭的标准电感和回扫变压器设计来处理这些开关监管机构。

包括芯片上的是一个3.0一个NPN型开关及其相关的保护电路,包括当前和热限制、欠压停摆。

其它功能还包括一个52kHz频振荡器,不需要外部组件、一个软启动方式来减少在高峰期间启动,和当前的当前模式控制为改善拒绝输入电压和输出负载瞬变。

特性：

需要一些外部组件。

NPN型输出开关3.0a,可以避开65v；宽输入电压范围:

3.5v到40v；电流型操作为改善瞬态响应,线的规定,和当前的限制；52kHz内部振荡器；软启动功能,减少在高峰期间启动电流；输出开关限流保护、欠压停摆,和热