帶“電”玩具充電電源管理系統(tǒng)設(shè)計

　　劉桄序，劉光乾（四川科技職業(yè)學(xué)院鼎利學(xué)院，成都?611745）

　　摘?要：許多玩具都采用的“可充電”功能，為帶“電”玩具充電電源管理系統(tǒng)的設(shè)計工程師們帶來了難題。

　　本文以典型的恒流充電電源設(shè)計、恒壓充電電源設(shè)計及恒流恒壓充電電源設(shè)計三種進(jìn)行分析，并結(jié)合當(dāng)前最為主流的新型電源管理芯片為應(yīng)用，給出較為合理的三類電路的電源管理系統(tǒng)設(shè)計。

　　關(guān)鍵詞：玩具充電；電容充電；電源管理；電源設(shè)計

　　0 額定電壓是值考慮

　　玩具一般采用電壓為5 V左右的電源供電電路。由于常見的電池規(guī)格有兩種，一種是堿性性電池，電池單元電源電壓為1.5 V，即此類規(guī)格的電路設(shè)計為1.5 V的倍數(shù)，如3 V、4.5 V、6 V、9 V等。還有一類就是以充電電池單元為設(shè)計的電源電路，即以1.2 V為單元電池供電電路設(shè)計，常見的為3.6 V、4.8 V、6 V等。而超級電容的單元電壓，根據(jù)不同的材質(zhì)不同，在1~3 V之間均有，而常見的超級充電電容電壓為：2.5 V、2.7 V等，這樣，在電容電路中，如要直接替換原堿性電池或鎳氫、鋰離子充電電池，則需要計算電容的電壓和其組合形式。

　　1 充電最大值考慮

　　在選用電容作為儲能元件時，不能按照常規(guī)的充電最大電壓進(jìn)行設(shè)置，而只能按照標(biāo)稱電壓進(jìn)行設(shè)計。如鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.6 V，則實質(zhì)是最大充電電壓為= 2 ×3.6 V≈4.2 V，取4.2 V為最大值，決不允許超出，否則鋰離子電池就可能被充壞。而鉛酸蓄電池的最大充電電壓，通常也是按 2 倍關(guān)系進(jìn)行設(shè)置，但一般沒做嚴(yán)格要求，如電動車內(nèi)的鉛酸蓄電池，標(biāo)稱為48 V的電池組，理論設(shè)置最大充電電壓= 2 ×48 V≈54 V，而在實際電路應(yīng)用中充電電路設(shè)置最大電壓確為56 V，有些領(lǐng)域的充電電壓達(dá)到1.5倍以上，這樣電池也是容易被充壞的（見圖1）。當(dāng)采用電容為電源單元時，只能按標(biāo)稱電壓進(jìn)行充電，否則將可會充爆電容（見圖2）。

　　3 充電電流倍率考慮

　　充電倍率是表征充電電池在充電的時的快慢一種量度，是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)充電至其額定容量時所需要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)，即“充電電流/電池額定容量=充電倍率”。常規(guī)的充電電池電路設(shè)計的充電電流倍率經(jīng)典值C=1/10額定電流，也就是充電時常按照10 h左右進(jìn)行計算。如標(biāo)稱為10 A的蓄電池，其充電電流為1 A，需要充電10 h。這種考慮主要是針對充電電池的化學(xué)特征，為了有效地使用可充電電池，小電流充電勢必是有效保護(hù)電池的一種有效方式。

　　電容的充電則是按照時間常數(shù)設(shè)定而設(shè)計。電容器的充電時間常數(shù)，是電容的端電壓達(dá)到最大值的0.63倍時所需要的時間，通常時間達(dá)到5倍的充電時間常數(shù)后就認(rèn)為充滿了（見圖2）。充電時間常數(shù)的大小與電路的電阻有關(guān)，按照公式計算： t RCc =，其中 R 是電阻；C是電容。

　　4 小電流充電電路

　　根據(jù)電容器的充電特征可以看出，在充電中是累積電荷進(jìn)行存儲的過程。在玩具的電路中，由于都是為兒童準(zhǔn)備的，故此在電路設(shè)計中采用小電流充電，滿足一些小功耗的電路是完全可行的。比如，玩具車的遙控器，這種耗電小的電路供電，即可采用小電流充電滿足要求。

　　此處以TPS 7A78為例，設(shè)計一款小于300 mA的為電容充電的電路。TPS 7A78有較高的整體效率，采用內(nèi)部半橋降壓的模式進(jìn)行降壓，減少了外圍電磁元件的換能降壓，只用外部電容器來主動鉗制和校正準(zhǔn)確的輸出電壓。改電源電路內(nèi)部獨特的架構(gòu)，允許備用功率將從幾100 mW減少到只有幾 mW，自損耗相當(dāng)?shù)男?。采用?nèi)部泵電源電路與外部電容器結(jié)合，電路整體積可以做到很小能方便嵌入到玩具內(nèi)。

　　圖3所示電路為TPS 7A78實現(xiàn)5 V/300 mA的充電電路充電采用編程方式進(jìn)行控制，能為一些小功耗玩具的電容充電。

　　根據(jù)實際的對22 F/5 V單體電容進(jìn)行充電，實測充電圖形如圖4所示。

　　5 電容恒流恒壓充電系統(tǒng)

　　電容充電都要求是恒壓的，這樣才能保證電容的電壓穩(wěn)定且不會被過高電壓過充電而導(dǎo)致電容鼓包等損壞，并且電容的充電與電壓是沒有關(guān)系的，只與時間常數(shù)有關(guān)。但為了快速地充電，有效地保證時間常數(shù)的有效性，在最短的時間內(nèi)充滿電，就必須保證有能充滿電容存儲電量的電能供給滿足。故此，在實施充電電路中，經(jīng)常采用恒流恒壓的電源充電，以保證電容充電的電荷存儲量。

　　此處為“帶電玩具”設(shè)計的便攜式USB充電電源管理系統(tǒng)，就是將充電電源以恒流恒壓的形式為電容進(jìn)行充電。本文設(shè)計采用TI公司新型鋰電池充電芯片系列BQ2405X系列中的BQ24050。BQ24050本身定義為度集成的鋰離子線性充電器芯片，電源輸入具備USB端口或交流適配器輸出兩種，適應(yīng)較高的電源輸入，且具有輸入電壓保護(hù)。BQ 24050只有一個電源輸出，為電池充電,充電分具備恒流和恒壓功能。在充電階段，由于設(shè)計有內(nèi)部控制回路監(jiān)測IC結(jié)溫度，并在超過內(nèi)部溫度閾值時降低電荷電流，以有效保護(hù)充電時的過電流。

　　BQ 24050內(nèi)設(shè)電功率級和電荷電流感知函數(shù)完全結(jié)合電路，充電電路具有高精度的電流和電壓調(diào)節(jié)回路、充電狀態(tài)顯示和充電終止功能。預(yù)置電流和終止電流閾值是通過外部電阻編程的?？焖匐姾呻娏髦狄部赏ㄟ^外部電阻進(jìn)行編程而設(shè)定，圖5所示為基于BQ24050的800 mA恒流恒壓充電電路。

　　由于BQ24050本身為鋰電池充電控制芯片，本身對恒流恒壓及保護(hù)電路有著嚴(yán)格的定義，特別是在保護(hù)電路中，具有電壓、電流及溫度方面的保護(hù)。

　　經(jīng)過電路充電測試，獲得圖6所示充電波形，從建立充電的準(zhǔn)備期，快速進(jìn)行恒壓恒流充電，到恒壓浮充后減小電流截止提供電流，充電結(jié)束。

　　6 結(jié)論

　　目前帶“電”玩具的電容充電管理電路，將會應(yīng)用到未來一段時間的玩具電源市場。本文所探討的還是立足于帶線的充電方式，不論是220 V降壓充電還是USB電源充電，都是當(dāng)前的最流行的玩具充電方式之一。而未來的玩具充電，電容作為儲能元件是長期應(yīng)用的一種趨勢，充電模式也會在未來采用無線充電的模式，無線充電的電源電容充電與本文又有一些區(qū)別，不在本文的電源充電管理之中。

　　作者簡介

　　劉桄序（1977—），高級工程師，工程碩士，副院長，主要研究方向：嵌入式、智能硬件方向。

　　劉光乾（1975—），工程師，教師，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方向。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第55頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。