廣東省電子信息高級(jí)技工學(xué)校 黃利榮

探究復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

廣東省電子信息高級(jí)技工學(xué)校 黃利榮

移動(dòng)電源是現(xiàn)代人類生活的重要部分，借助移動(dòng)電源可完成對(duì)移動(dòng)電子產(chǎn)品充電。同時(shí)，受移動(dòng)電源安全問題的影響，人們對(duì)移動(dòng)電源的安全性、穩(wěn)定性和輸出功率需求不斷變化，且日漸關(guān)注。本文詳細(xì)的展開移動(dòng)電源的分析，完成對(duì)復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，對(duì)其具體的電路、高頻電感等的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，使得移動(dòng)電源能夠具備太陽能充電的能力，還可以具備車載似移動(dòng)電源的充電方式，達(dá)到復(fù)合充電式目的，且最高輸出可以達(dá)到90W，滿足諸多電子產(chǎn)品的需求，提升人們生活品質(zhì)。

復(fù)合充電式；90W；移動(dòng)電源；設(shè)計(jì)

移動(dòng)電源是完成對(duì)移動(dòng)終端設(shè)備電池充電的裝備，滿足人們戶外需求電源的需求，進(jìn)而提升電子產(chǎn)品的續(xù)航能力。現(xiàn)階段，移動(dòng)電源主要選擇傳統(tǒng)電源充電的方式，輸出功率較低，一般在10W-20W左右，不能完成對(duì)諸多電子設(shè)備的滿足，且續(xù)航時(shí)間較低?；诖?，本文分析復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源，完成對(duì)具體的太陽能充電模塊、高頻的電感等的設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下。

1 復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源分析

1.1 復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源設(shè)計(jì)意義

信息技術(shù)的進(jìn)步，各類電子設(shè)備發(fā)展和完善，移動(dòng)終端成為人們生活中的基礎(chǔ)設(shè)備。而這些移動(dòng)終端在實(shí)際的應(yīng)用中，會(huì)受到電池尺寸和容量的限制，在有效的電量支持下，移動(dòng)終端的續(xù)航能力受到影響，為了迎合移動(dòng)終端的基本需求，移動(dòng)電源的作用就顯得十分明顯，可以有效的完成對(duì)移動(dòng)終端的充電，尤其是一些戶外環(huán)境，移動(dòng)終端設(shè)備不能借助市電展開充電。受到人們需求的影響，移動(dòng)電源的相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，移動(dòng)電源的容量和續(xù)航時(shí)間均得到了改善。

智能手機(jī)具備上網(wǎng)、語音、視頻等功能，無疑加大了對(duì)智能手機(jī)電池電源的消耗能力。但是，受到智能手機(jī)電池容量的限制，智能手機(jī)對(duì)移動(dòng)電源的需求較大，這也推動(dòng)了移動(dòng)電源市場的發(fā)展。

傳統(tǒng)的移動(dòng)電源不足之處，具有充電方式單一、輸出功率較低的情況，一般在10W-20W左右，需要頻繁的充電，才能滿足使用者的需求。但是，受到一些特殊情況的影響，使用者不能及時(shí)與市電連接完成對(duì)移動(dòng)電源的充電，這也就影響了移動(dòng)電源使用者的需求。故此，需要對(duì)復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的研究和設(shè)計(jì)，達(dá)到增加移動(dòng)電源輸出功率和充電方式的目的。

1.2 復(fù)合充電式移動(dòng)電源的充電方式

所謂復(fù)合充電式移動(dòng)電源，是具備多種充電方式的移動(dòng)電源，可以選擇市電充電和太陽能充電。其中太陽能充電，是在移動(dòng)電源不能得到市電補(bǔ)充的情況下選擇的充電方式。將太陽能充電與移動(dòng)電源相結(jié)合，能夠改變移動(dòng)電源發(fā)展方向，便利人們生活。太陽能是清潔、可再生的能源類型，隨著太陽電池的相關(guān)技術(shù)完善，將太陽能與移動(dòng)電源的相結(jié)合，達(dá)到復(fù)合充電式移動(dòng)電源的目的。

隨著人們精神追求和生活品質(zhì)的提升，戶外出行的頻率增加，尤其是長時(shí)間的戶外活動(dòng)，移動(dòng)電源成為人們的首選裝備。為了保障較長時(shí)間的續(xù)航能力，可以選擇構(gòu)建復(fù)合充電式移動(dòng)電源，滿足人們的需求。

2 復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源是借助太陽能充電和市電充電方式，并保障移動(dòng)電源具有較高的效果，滿足各類電子產(chǎn)品的基本需求。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)分析

復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)中，主要是由充電模塊、電池模塊、輸出模塊構(gòu)成，其中電池模塊主要完成對(duì)電能存儲(chǔ)，且電池的電芯選擇聚合物鋰電池。輸出模塊，完成電源的輸出，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的充電，并主要是由輸升壓模塊、降壓模塊構(gòu)成。充電模塊，是完成對(duì)電能輸入，達(dá)到充電的目的，主要是由十太陽能電池板和充電電路構(gòu)成。具體的復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的整個(gè)系統(tǒng)如下圖1所示。

圖1 復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的整個(gè)系統(tǒng)

按照如上設(shè)計(jì)的方式，可以完成對(duì)移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，且移動(dòng)電源具有較好的保護(hù)性能，能夠完成對(duì)短路的保護(hù)。還具備過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)，從而有效的完成移動(dòng)電源的保護(hù)，進(jìn)而規(guī)避電源安全隱患的發(fā)生。

2.2 太陽能充電模塊設(shè)計(jì)

為了完成移動(dòng)電源的復(fù)合充電，具體的設(shè)計(jì)中添加太陽能充電的方式，完成對(duì)太陽能充電模塊的構(gòu)建。

1)太陽能電池板。主要借助太陽能電池板完成對(duì)太陽能的采集，并將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)到電池中。為了滿足復(fù)合充電式移動(dòng)電源，需要保障太陽能電池板的功率為30W，工作電壓為18V，且工作溫度為20～80℃。

2)芯片的選型。選擇CN3705電池充電管理芯片作為核心芯片，從而完成對(duì)輸入電壓和充電電流的控制。其中，CN3705電池充電管理芯片的輸入電壓范圍7.5～28V，充電電流最高5A，具有外圍元件少，應(yīng)用簡單直接的特點(diǎn)，可以有效的應(yīng)用到太陽能鋰電池的管理中，達(dá)到提升太能充電的效果。

3)基于太陽能的充電模塊設(shè)計(jì)。具體的充電模塊電路圖如下圖2所示。

圖2 充電電路的原理設(shè)計(jì)圖

通過對(duì)原理圖的分析，可以明確各個(gè)元件功能和作用，并綜合控制，完成對(duì)電路設(shè)計(jì)。

①恒壓充電。由圖中R5、R6和電池構(gòu)成一個(gè)回路，且回路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分壓的現(xiàn)象。電阻R5的兩端電壓會(huì)反饋到的CN3705電池充電管理芯片的10腳電壓反饋端，并根據(jù)這一反饋情況完成對(duì)太陽能電池充電模塊的工作模式的選擇。假設(shè)內(nèi)部電壓為的2.416V，這一狀態(tài)下為恒壓充電模式，且得到充電電壓的為如下公式：

根據(jù)上述公式（1），可以對(duì)恒壓充電模式下的充電電壓的計(jì)算。但是，鋰電池的恒壓充電電壓為12.6V，將上述公式進(jìn)行逆推，進(jìn)而完成對(duì)電阻R5和R6 的計(jì)算，從而完成對(duì)充電電路中電阻的取值。

②涓流充電。這類狀態(tài)下與恒定電流充電，這類充電中，回路反饋電壓要明顯低于的恒壓充電，且反饋電壓為恒壓充電的2/3。這也就說明移動(dòng)電源處于放電的情況。這一狀態(tài)下需要對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)，從而由CN3705電池充電管理芯片對(duì)電池的工作模式進(jìn)行切換，切換為涓流充電模式。這時(shí)，電池會(huì)以很小的電流展開充電，可以得到具體的充電電流為恒壓充電時(shí)電流的15%。但是，由于電路中設(shè)置欠壓保護(hù)，也就使得涓流充電模式不適應(yīng)復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源。

③恒流充電。與恒壓充電的電阻設(shè)定方式存在差異，整個(gè)充電模塊中，對(duì)其具有明確展示，主要是借助電阻R1，其中R1的電阻設(shè)定公式情況如下公式（2）所示：

其中Ich為表示恒流充電時(shí)的電流，R1表示采樣電阻，且能夠得到鋰電池的恒流充電時(shí)，電流為1A，故此展開計(jì)算，可以獲得采樣電阻具體的電阻值，經(jīng)計(jì)算為0.2Ω。

④自動(dòng)再充功能。符合充電式90W移動(dòng)電源在充電完成后，內(nèi)部電阻會(huì)出現(xiàn)持續(xù)放電的現(xiàn)象，這類現(xiàn)象就會(huì)引起電池電量損耗的情況，影響電池的應(yīng)用質(zhì)量。故此，通過對(duì)電池自動(dòng)再充功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

⑤電感選擇。通常情況下，電路如果沒出現(xiàn)異常，電感上的電流數(shù)值會(huì)呈現(xiàn)周期性變化。在接通電源后，電感上的電流會(huì)上升，而關(guān)閉電源后，電感電流下降。曲且電感的波紋電流和電感值、輸入電壓之間具有一定的聯(lián)系，如果電電感取值小時(shí)，則得到的波紋電會(huì)增加。具體的計(jì)算公式如下（3）所示：

上述公式中，IL用來描述波紋電流，VBAT描述電池兩端的電壓情況，VCC表示輸入電壓，f為開關(guān)頻率，L電感值。綜合供述，可以完成對(duì)符合充電式90W移動(dòng)電源的電感值選取。

2.3 升壓模塊設(shè)計(jì)

升壓模塊是復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的基礎(chǔ)，具體的升壓模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 升壓模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 降壓模塊結(jié)構(gòu)框圖

輸入直流電壓后，會(huì)經(jīng)過電容濾波，借由變換器和輸入端的整流濾波后，得到直流電壓。當(dāng)輸入直流電壓變化時(shí)，需保障電壓的穩(wěn)定性，需輸出電壓進(jìn)行采樣，且將反饋信號(hào)輸入到控制芯片中，再完成對(duì)的輸出寬度的控制，達(dá)到提升電壓穩(wěn)定性的目的。對(duì)于芯片的選擇的，可以選擇LM256T-5.0，滿足降壓模塊的基本需求，并具備限流保護(hù)、熱股關(guān)斷保護(hù)，從而形成一個(gè)穩(wěn)定的電路。對(duì)于外圍電路，主要由濾波電容、儲(chǔ)能電感、二極管等構(gòu)成，從而使得降壓模塊能夠在的通電的情況下，電感充電，存儲(chǔ)能量，且電流按照線性的方式上升。斷開后，電感會(huì)形成一個(gè)反向的感應(yīng)電壓。這時(shí)，二極管作用，完成正向?qū)?，電感釋放能量完成供電。借助降壓模塊可以成為一個(gè)具有持續(xù)輸出穩(wěn)定電壓移動(dòng)電源。具體的設(shè)計(jì)需要對(duì)電感、二極管和輸出電容等展開綜合選擇。

2.5 保護(hù)與顯示電路設(shè)計(jì)

為了保障移動(dòng)電源的安全性和服務(wù)性，需要合理的展開對(duì)充放電過程的控制。其中，主要選擇單片機(jī)完成對(duì)這一過程的控制，完成對(duì)電路的保護(hù)和監(jiān)測。其中的控制芯片的選擇的PLC，其中PLC的功能具有存儲(chǔ)、I/O端口、ADC模塊，從而有效的提升移動(dòng)電源的保護(hù)和監(jiān)測水平。

1)過溫保護(hù)。為了完成對(duì)移動(dòng)電源的保護(hù)，需要合理的展開的過溫保護(hù)的設(shè)計(jì)。具體的移動(dòng)電源應(yīng)用中，功率元件可能會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果功率元件的溫度超出標(biāo)準(zhǔn)，就可能會(huì)對(duì)移動(dòng)電源內(nèi)部的元件造成損傷，進(jìn)而導(dǎo)致移動(dòng)電源損壞，嚴(yán)重時(shí)，還可能會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)電源爆炸的現(xiàn)象的產(chǎn)生，不利于移動(dòng)電源的功能發(fā)揮。故此，借助負(fù)熱敏電阻NTC，完成對(duì)功率器件的溫度采樣，當(dāng)溫度超出標(biāo)準(zhǔn)70℃，再借助繼電器，完成對(duì)電源回路的控制，從而達(dá)到過溫情況的控制，規(guī)避安全隱患。

2)過壓保護(hù)。移動(dòng)電源工作時(shí)，如果放完存儲(chǔ)電量后，可能會(huì)導(dǎo)致引起過放電的情況發(fā)生。從而會(huì)引起電池的容量永久性降低。對(duì)于過壓保護(hù)可以選擇CN3705芯片完成控制，從而有效保障電路的安全。

3)顯示電路。為了便利用戶的使用，可以對(duì)移動(dòng)電源的剩余電量進(jìn)行顯示，故此，需展開顯示電路的設(shè)計(jì)。具體的顯示電路設(shè)計(jì)，可以按照如下圖5展開設(shè)計(jì)。

圖5 顯示電路設(shè)計(jì)圖

3 測試分析

按照上述設(shè)計(jì)展開對(duì)復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的城市工作，且得到在正午太陽直射條件下，空載電壓為20.9V，空載電流為1.57A。再綜合對(duì)復(fù)合充電的情況進(jìn)行分析，在多云和陰雨天氣，充電效果不夠理想，需要不斷改進(jìn)。但，在光照條件較好的情況下，實(shí)際的測量值和設(shè)定值基本吻合，滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。

綜合的分析，可以得到復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的功率大、功能全，可以實(shí)現(xiàn)多情況下的充電，滿足戶外活動(dòng)的基本需求，在滿足太陽能充電的基礎(chǔ)上，還可以用于市電、20V車載的電池充電，滿足復(fù)合充電式的基本需求。

4 結(jié)束語

復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源是應(yīng)對(duì)移動(dòng)電源功率不足和充電方式單一的情況。故此，詳細(xì)的對(duì)復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)展開分析，具體的設(shè)計(jì)主要展開充電模塊、升壓模塊、降壓模塊、顯示與保護(hù)等展開設(shè)計(jì)，保障移動(dòng)電源功能性。通過復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，可以滿足多功能和復(fù)合充電式的基本需求。

[1]鄭永翀．復(fù)合充電式90W移動(dòng)電源設(shè)計(jì)[D]．杭州電子科技大學(xué),2015:55-56．

[2]劉麗娟．90W筆記本電源適配器的研究與設(shè)計(jì)[D]．西安科技大學(xué), 2011:24-25．

[3]陳桂干．移動(dòng)電源綜合性能測量技術(shù)探究[J]．建筑·建材·裝飾, 2015(16):279．

[4]呂書棟,陽成．基于DSP+CPLD的恒流充電電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電力電子技術(shù),2014,48(1):66-67．

[5]張佳．移動(dòng)電源的質(zhì)量問題:充電寶與“充電爆”[J]．中國防偽報(bào)道, 2015(9):26-30．

[6]洪聞,張澎,徐莉坤．移動(dòng)電源:謹(jǐn)防隨身攜帶“炸彈”[J]．安防科技, 2013(10):26-28．

[7]承健．移動(dòng)電源的價(jià)值[J]．個(gè)人電腦,2012(9):86-87．

[8]流言．下個(gè)十年的新型移動(dòng)電源 移動(dòng)電源路在何方[J]．電腦愛好者, 2013(10):30-31．

[9]孫靜霞．Plug-in HEV復(fù)合電源系統(tǒng)參數(shù)匹配及控制策略研究[D]．山東理工大學(xué),2011:16-17．

[10]戚偉,肖鐸,汪秋婷 等．燃料電池筆記本移動(dòng)電源適配器的研制[J]．電源技術(shù),2016,40(5):1013-1016．