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带“电”玩具充电电源管理系?#25104;?#35745;

作者:刘桄序,刘光乾时间:2019-09-25来源:电子产品世界收藏

  刘桄序,刘光乾(四川科技职业学院鼎利学院,成都?611745)

本文引用地址:http://www.afhie.tw/article/201909/405216.htm

  摘?要:许多玩具都采用的“可充电”功能,为带“电”系统的设计工程师们带来?#22235;?#39064;。

  本文以典型的恒流充电、恒压充电及恒流恒压充电三种进行分析,并结?#31995;?#21069;最为主流的新型芯片为应用,给出较为合理的三类电路的系?#25104;?#35745;。

  关键词:;电源管理;电源设计

  0 额定电压是值考虑

  玩具一般采用电压为5 V左?#19994;?#30005;源供电电路。由于常见的电池规格有两种,一种是碱性性电池,电池单元电源电压为1.5 V,即此类规格的电路设计为1.5 V的倍数,如3 V、4.5 V、6 V、9 V等。还有一类就是以充电电池单元为设计的电源电路,即以1.2 V为单元电池供电电路设计,常见的为3.6 V、4.8 V、6 V等。而超级电容的单元电压,根据不同的材质不同,在1~3 V之间均有,而常见的超级充电电容电压为:2.5 V、2.7 V等,这样,在电容电路中,如要直接替换原碱性电池或镍氢、锂离子充电电池,则需要计算电容的电压和其组合形式。

  1 充电最大值考虑

  在选用电容作为储能元件?#20445;?#19981;能按照常规的充电最大电压进行设置,而只能按照标称电压进行设计。如锂电池的标称电压为3.6 V,则实质是最大充电电压为= 2 ×3.6 V≈4.2 V,取4.2 V为最大值,决不允许超出,否则锂离子电池就可能被充坏。而铅酸蓄电池的最大充电电压,通常也?#21069;?2 倍关系进行设置,但一般没做严格要求,如电动?#30340;?#30340;铅酸蓄电池,标称为48 V的电池组,理论设置最大充电电压= 2 ×48 V≈54 V,而在?#23548;?#30005;路应用中充电电路设置最大电压确为56 V,?#34892;?#39046;域的充电电压达到1.5倍以上,这样电池也是容易被充坏的(见图1)。当采用电容为电源单元?#20445;?#21482;能按标称电压进行充电,否则将可会充爆电容(见图2)。

  3 充电电流倍率考虑

  充电倍率是表征充电电池在充电的时的快慢一种量度,是指电池在规定的时间内充电?#30103;?#39069;定容量时所需要的电流值,它在数值?#31995;?#20110;电池额定容量的倍数,即“充电电流/电池额定容量=充电倍率”。常规的充电电池电路设计的充电电流倍?#31034;?#20856;值C=1/10额定电流,也就是充电时常按照10 h左?#21307;?#34892;计算。如标称为10 A的蓄电池,其充电电流为1 A,需要充电10 h。这种考虑主要是针对充电电池的化学特征,为了?#34892;?#22320;使用可充电电池,小电流充电势必是?#34892;?#20445;护电池的一种?#34892;?#26041;式。

  电容的充电则?#21069;?#29031;时间常数设定而设计。电容器的充电时间常数,是电容的端电压达到最大值的0.63倍时所需要的时间,通常时间达到5倍的充电时间常数后就认为充满了(见图2)。充电时间常数的大小与电路的电阻有关,按照公式计算: t RCc =,其中 R 是电阻;C是电容。

  4 小电流充电电路

  根据电容器的充电特征可以看出,在充电中是累积电荷进行存储的过程。在玩具的电路中,由于都是为儿童准备的,故此在电路设计中采用小电流充电,满足一些小功耗的电路是完全可行的。比如,玩具车的遥控器,这种耗电小的电路供电,即可采用小电流充电满足要求。

  此处以TPS 7A78为例,设计一款小于300 mA的为的电路。TPS 7A78有较高的整体效率,采用内部半桥降压的模式进行降压,减少了外围电磁元件的换能降压,只用外部电容器来主动钳制和校正准确的输出电压。改电源电路内部独特的架构,允许备用功?#24335;?#20174;几100 mW减少到只有几 mW,自损耗相当的小。采用内部泵电源电路与外部电容器结合,电路整体积可以做到很小能方便嵌入到玩具内。

  图3所示电路为TPS 7A78实现5 V/300 mA的充电电路充电采用编程方式进行控制,能为一些小功耗玩具的

  根据?#23548;?#30340;对22 F/5 V单体电容进行充电,实测充电图形如图4所示。

微信截图_20191010160451.jpg

  5 电容恒流恒压充电系统

  电容充电都要求是恒压的,这样才能保证电容的电压稳定且不会?#36824;?#39640;电压过充电而导致电容鼓包?#20154;?#22351;,并?#19994;?#23481;的充电与电压是没有关系的,只与时间常数有关。但为了快速地充电,?#34892;?#22320;保证时间常数的?#34892;?#24615;,在最短的时间内充满电,就必须保证有能充满电容存储电量的电能供给满足。故此,在实施充电电路中,经常采用恒流恒压的电源充电,以保证电容充电的电荷存储量。

  此处为“带电玩具”设计的便携式USB充电电源管理系统,就是将充电电源?#38498;?#27969;恒压的形式为电容进行充电。本文设计采用TI公司新型锂电池充电芯片系列BQ2405X系列中的BQ24050。BQ24050本身定义为度集成的锂离子线性充电器芯片,电源输入具备USB端口或交流适配器输出两种,?#35270;?#36739;高的电源输入,且具有输入电压保护。BQ 24050只有一个电源输出,为电池充电,充电分具备恒流和恒压功能。在充电阶段,由于设计?#24515;?#37096;控制回路监测IC结温度,并在超过内部温度阈值时降低电荷电流,以?#34892;?#20445;护充电时的过电流。

  BQ 24050内设电功率级和电荷电流感知函数完全结合电路,充电电路具有高精度的电流和电压调节回路、充电状态显示和充电?#32617;?#21151;能。预置电流和?#32617;?#30005;流阈值是通过外部电阻编程的。快速电荷电流值也可通过外部电阻进行编程而设定,图5所示为基于BQ24050的800 mA恒流恒压充电电路。

  由于BQ24050本身为锂电池充电控制芯片,本身?#38498;?#27969;恒压及保护电路有着严格的定义,特别是在保护电路中,具有电压、电流及温?#30830;?#38754;的保护。

  经过电路充电测试,获得图6所示充电波形,从建立充电的准备期,快速进行恒压恒流充电,到恒压浮充后减小电流截止提供电流,充电结束。

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  6 结论

  目前带“电”玩具的电容充电管理电路,将会应用到未来一?#38382;?#38388;的玩具电源市场。本文所探讨的还是立足于带线的充电方式,不论是220 V降压充电还是USB电源充电,都是当前的最流行的方式之一。而未来的玩具充电,电容作为储能元件是长期应用的一?#26234;?#21183;,充电模式也会在未来采用无线充电的模式,无线充电的电源电容充电与本文又有一些区别,不在本文的电源充电管理之中。

  作者简介

  刘桄序(1977—),高级工程师,工程硕士,副院长,主要研究?#36739;潁?#23884;入式、智能硬件?#36739;頡?/p>

  刘光乾(1975—),工程师,教师,主要研究?#36739;潁?#29289;联网、计算机网络?#36739;頡?/p>

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第55页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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