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移动电源充放电保护电路的改进
LI Shi-guang1,a WANG Li-zhi2,b GAO Zheng-zhong3,c
ZHANG Xiao-jing4,d ZHAO Li-na5,e
Shandong University of Science and Technology ,Shandong Qingdao,china.
Shandong University of Science and Technology ,Shandong Qingdao,china.
Shandong University of Science and Technology ,Shandong Qingdao,china.
Shandong University of Science and Technology ,Shandong Qingdao,china.
Shandong University of Science and Technology ,Shandong Qingdao,china. alsgskd@163.com b819015633@qq.com cskdgzz@163.com
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关键词：移动电源；锂电池；充放电保护；功率检测
摘要：移动电源的种类很多，本文针对现有的移动电源不能自动继续充电的问题，提出了一种自动充放电电路的设计方案，并提出了对应于普通锂电池过电压的改进电路，以及过流保护、电池监控问题。以STC15W401AS、SX2105、DS2262芯片为核心器件，以及相应的外围电路，为基于单片机系统的锂离子电池充电电源保护电路的应用提供了参考。
介绍
随着移动电话、数码相机、笔记本电脑等便携式电子设备的迅速发展，其工作时间和待机时间成为制约其发展的瓶颈，对锂离子电池也提出了更高的要求，同时随着各种电子设备显示屏的增加，其功耗也随之增加，为了满足高功率的要求，移动电源应运而生。本文提出了一种改进的移动式锂离子电池电源自动检测方法。其中电源电路和电池充放电保护电路主要是满足锂离子电池充电器的要求，包括预充电的实现、恒流充电、恒压充电、理想的充电保护。智能充电的理想图如图1所示。
图1 锂电池充电的理想图
移动电源的总体设计
本文完成了锂电池充电智能化和剩余电量实时监测的锂电池，同时在充电过程中需要及时切换恒压充电和恒流充电，达到保护过电压、过电流和低电压的目的。该系统主要是以STC15W401AS单片机、SX2105降压同步整流芯片为电路设计的主要部分，其中DS2262芯片用于判断电池过电压、过放电、过电流状态。
移动电源到电池功率检测电路
移动充电电源电路采用DC-DC变换电路和SX2105降压同步整流芯片，最高效率可达90%，可驱动5A的发电容量，且关断电流＜1mu;A，能满足锂离子电池充电电压要求的电压转换要求达到5V/2A恒压和恒流输出，可通过USB端口来连接外部电子器件。
DS2262芯片具有抄送口、直流输出控制电平、外部MOS的过电压、过电流、过放电片外控制，R8作为电流采样电阻，其值可根据实际需要确定，SNS和VSS端接电阻式电流传感器；IS1和IS2通过电容和电阻形成低通滤波器。根据图2的电路连接，当电压在设置的最小电压变化的电压和最大的电压之间变化时，充电保护输出抄送口和放电保护输出直流电压将根据输出电平VCEL变化，而DS2762和主控单元只需要一个线路连接命令和数据传输，当锂离子电池低于设定值时开始对移动电源充电。
图2 移动电源电池检测电路
移动电源到电池功率检测电路
锂离子电池充电电源保护电路图如图3所示。以STC15W401AS单片机为控制核心的保护电路，分别对电路中的电池电压和当前电流进行监控，电路中的MOSFET开关通过栅极控制2 MOSFET，分别控制充电电路和电源电路的接通和关断，电路具有过充电保护，过功率保护，过电流保护和短路电路保护功能。在正常状态下，P1.5和P1.6电路输出高电压Q1和Q4接通，电池可以自由充电和供电。在初始充电中，对于恒流充电，充电的电压将上升到恒压充电，直到电流越来越小。电池在充电过程中，如果充电器电路失控，可导致电池损坏或安全问题，因此当电池电压达到预设电压时，比较器LM139会翻转，单片机P1.0至低电平，P1.5由高电平控制为低电平。Q4是通过改变关断，从而切断充电回路，从而充电器不能给电池充电，进行过充电保护；由于本体二极管D4、 Q4自身存在，可以充当一个继续保持电路工作的角色，电池可由外部负载的二极管提供能量。电池的电压会随着供电过程逐渐降低，当电池电压下降到2.5 V，P1.1产生到低电平，P1.6由高电平控制到低电平，Q1从导通断开，从而切断电源电路，电池就不能再充电了，因此电力也不能提供给负载，从而起到电气保护的作用；由于二极管D1、Q1存在，充电器可以通过二极管对电池充电。单片机检测电池电压小于2.5 V，给发送Q1信号，延迟应为约100ms左右，以避免因干扰而造成的错误判断。当电池电量大于2 C的电池功率供给，即当前充电的功率，电池会造成永久性损坏或安全问题[；因此，当MOS管和三极管超过0.2 V的正常电压时，P1.2产生低水平，P1.6从高电平变为低电平，Q1从导通断开，从而切断电源回路，回路电流为零，起到电流的保护作用。在电池的供电过程为负载，如果环路电流使U1-U＞0.9 V，你可以确定负载短路时，INT1采取低系统控制中断，Q1从导通断开，从而切断电源电路，实现短路保护功能。STC15W401AS的外围电路是利用MOS管的主要特性和三极管开关特性，应用它们主要特点，通过控制电压和引脚来控制电路的导通或断开，Q1和Q4作为总电路开关，保证绝对充电、导通、关断即不符合充电条件。另一部分用于滤波电路，它总是通过直流电压，另一部分用来保护整个电路，防止过高的电路从而会烧坏电路。
图3移动电源到电池功率检测电路
结论
本文针对移动电源存在的问题，提出了一种新型的自动充放电电路和保护电路，主要描述了基于锂离子电池的移动电源实时检测电路、锂离子电池充电控制和保护电路。单片机的应用和整流、检测芯片实现电池的检测、过电压、过流、过放电、保护。该方法具有简单的外围电路，占用较少的系统资源，并根据细节特性的不同，通过软件和硬件的微调，具有很强的可扩展性和实用性。由于设计主电路结构，它不涉及软件部分，只是作为设计师的一个新的参考。
致谢
感谢山东博士后基金（BS2013DX012）、山东博士后基金（第201303068号）、山东科技研究院科技项目（J12LN13）、青岛经济技术开发区重点科技项目发展规划（2013-1-612013-1-38）“支持”。
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