一種基于MAX1679的USB智能插排設計

辛凱 李彩霞 李祥春 王燦

【摘要】本文介紹了一種可以為各種手機、PDA、移動電源、USB外設等設備充電（供電）的，基于MAX1679鋰離子電池充電控制集成電路的USB智能插座。本插座的設計主要由電源轉(zhuǎn)換電路、充電電路和保護電路等組成，體積小巧，可以方便的放置于書桌及辦公桌等家具上進行使用。

【關(guān)鍵詞】插座;智能插座;USB插座;MAX1679

Abstract：This article introduces a design of smart USB power plot based on MAX1679，which is consisted of AC-DC converter circuit，charging circuit and protection circuit. A variety of mobile devices，mobile phones，for instance，mobile power pack，USB peripherals and something like this，can conveniently be charged up through the plot. It can be expediently used on the desk，office tablet etc.

Key words：power plot;smart power plot;USB hub;MAX1679

1.引言

隨著現(xiàn)代科技尤其是移動通信技術(shù)的發(fā)展，我們的日常生活正被各類便攜式移動設備侵襲，各種類型的智能手機、平板電腦、智能手表以及移動電源正逐漸成為我們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵贰ＭǔＮ覀儠贸潆娖髡咄ㄟ^電腦USB接口對它們進行充電。使用充電器充電簡單方便，但是一次為多款設備充電會占用家中的插座資源，影響其他電器的使用，盡管目前市面上現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了USB插排，但其多是在傳統(tǒng)插排的基礎上增加1-2個USB充電接口，在為多款設備充電時，依然會出現(xiàn)占用資源的問題，并且無法智能實現(xiàn)對電池充電的保護;通過電腦USB接口充電，不影響我們對移動設備的使用，但對于僅僅配備2-4個USB接口的筆記本電腦或者臺式電腦來說，無疑會使本就緊缺的USB接口資源更加緊張。

圖1 設計效果圖

2.工作原理

考慮到我們常常需要一次為多款設備進行充電，并考慮到其他小功率用電設備，如臺燈、音響等的用電需求，本插座專門針對移動設備和其他用電設備設計了相互獨立的電源接口，以方便其用電需求。本設計共分為兩部分，USB供電端和市電供電端。主要包括：過流保護電路、開關(guān)電源電路和智能充電電路等：

圖2 結(jié)構(gòu)原理框圖

2.1 過流保護電路

短路，即電路中電流不流經(jīng)負載直接與電源兩級連接在一起的現(xiàn)象。根據(jù)歐姆定律可知，在系統(tǒng)電壓不變的情況下，電流的

大小與電阻值得大小成反比關(guān)系，因而電路發(fā)生短路時，電流將非常大，往往會超出用電器規(guī)定的額定電流，用電器有被燒毀的危險;由焦耳定律可知，在導線電阻一定的情況下，導線會因過流而出現(xiàn)溫度迅速升高的情況，輕則燒毀導線的絕緣層，嚴重時甚至會引起火災。為避免短路可能造成的危險，通常采取在電路中加入過流保護元件的方式，對整個電路進行保護。通過對不同過流保護元件特性的分析，最終我們采用了自恢復保險絲來構(gòu)成過流保護電路。

自恢復保險絲是一種由高分子有機聚合物和導電粒子構(gòu)成的過流保護元件。自恢復保險絲在常態(tài)下的電阻非常低。當電路發(fā)生短路或者過載時，伴隨著整個電路電流的急劇增大，保險絲的電阻值迅速增大，將電路電流切斷因而可以對電路起到保護作用，避免了因短路對用電器造成的損壞以及火災的發(fā)生;當斷電或故障排除后，恢復為正常狀態(tài)，免去了普通保險絲熔斷后需要人工更換的煩惱。

通過分析圖3曲線不難看出：正常工作時電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量比較低，電阻絲的發(fā)熱量與散熱量處于動態(tài)平衡中（階段一、二）;隨著電路中電流的進一步增大，電阻絲的發(fā)熱量開始逐漸超過散熱量，發(fā)熱量與散熱量的動態(tài)平衡逐漸被打破（階段三）;由于發(fā)生過載或短路導致電阻絲產(chǎn)生大量的熱量，此時即便是很小的溫度變化也會導致電阻絲的電阻值發(fā)生劇烈變化。第5階段為禁用區(qū)。分析圖4曲線可知，在切斷電源或故障排除后，自恢復電阻絲的電阻值會隨著溫度的下降而逐漸恢復正常。

圖3 自恢復保險絲電阻—溫度特性

圖4 阻值與恢復時間關(guān)系

2.2 開關(guān)電源電路

開關(guān)電源又稱開關(guān)型穩(wěn)壓電源，是一種采用半導體管元件將電源從一種形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的轉(zhuǎn)換電路。相較于常見的線型穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源具有如下特點：

（1）體積小、重量輕[2]。

（2）功耗小、效率高[3]。

（3）穩(wěn)壓范圍寬[3]。

（4）穩(wěn)定性和可靠性高[3]。

開關(guān)電源電路主要可以分為整流電路和控制電路兩部分。交流電輸入后，經(jīng)過第一次整流濾波，功率變換和第二次整流濾波電路，最終被轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的直流電壓輸出。控制電路通對比反饋信號與設定信號進而產(chǎn)生控制信號，在保證直流輸出符合要求前提下，實現(xiàn)對開關(guān)電源的短路保護、輸出過壓保護和限壓保護（見圖5）。

2.3 充電電路

目前廣泛應用于手機、筆記本電腦以及其他各類數(shù)碼產(chǎn)品中的鋰離子電池具有體積小，能量密度高，無記憶效應，循環(huán)壽命高[4]等特點。通過對鋰離子電池的結(jié)構(gòu)進行分析，一旦在充電的過程中出現(xiàn)過充，電池內(nèi)部的電解液等物質(zhì)就會分解并產(chǎn)生大量氣體，輕則使電池報廢，嚴重時甚至會引起電池的爆炸。在《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范》中的“5.3.2.1充電方法”，規(guī)定了鋰電池需要采用恒流恒壓的方式進行充電，充電限制電壓4.2V。充電過程中首先采用恒流（）充電的方式將電池電壓升高至4.2V，而后進行恒壓充電。當恒壓充電的充電電流降至0.1A以內(nèi)時，停止充電。

根據(jù)多方統(tǒng)計，在電子產(chǎn)品出現(xiàn)的故障中，有75%是由于過流/過壓造成的[6]。因而在對鋰離子電池進行充電式時，除了要滿足電池的充電要求，同時也要避免過流或過壓現(xiàn)象出現(xiàn)。

綜合以上要求，我們選擇MAX1679鋰離子電池充電控制集成電路作為充電電路的控制芯片。MAX1679是由全球領先的半導體制造供應商Maxim Integrated開發(fā)的一款單節(jié)鋰電池脈沖充電控制器，充電控制精達0.75%，內(nèi)置充電終止檢測電路和充電過程控制器，具有快速充電、脈沖充電、欠壓/欠溫充電、過熱保護和總充電時間超時保護等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)安全可靠的充電啟動和終止控制[5]。考慮到MAX1679集成電路通過外接P溝道場效晶體管（PMOSFET），便可以對單節(jié)鋰離子電池進行智能充電，且由其組組成的充電電路較為簡潔，因而具有較高的性價比。

MAX1679完整的充電過程包括[7]：

①初始化充電階段：在該過程中系統(tǒng)以較小的充電電流（5mA）對電池進行預充電，以使電池電壓大于2.5V。整個充電階段允許的電池溫度為2.5℃到47.5℃，超出此溫度范圍充電過程自動暫停，待電池溫度恢復到允許范圍后后重新開始充電。

圖6 MAX1679應用電路電路圖

②快速充電階段：當電池電壓大于鋰離子電池放電終止電壓時，快速充電階段開始，MAX1679控制外接的PMOSFET接通，使電池有電流流入。快速充電階段結(jié)束的條件是MAX1679的充電過程控制器和充電終止檢測電路檢測到電池電壓達到鋰離子電池充電限制電壓。

③脈沖充電階段：當達到鋰離子電池充電限制電壓或閾值電壓，快速充電階段結(jié)束時，充電電路自動進入脈沖充電階段。在此階段，當MAX1679芯片檢測到電池電壓小于內(nèi)部閾值時，外部PMOSFET導通，電池將被充電以使電壓升高值充電限制電壓或閾值電壓;當檢測到電池電壓達到或超過內(nèi)部閾值時，PMOSFET斷開，停止充電。在脈沖充電階段接近結(jié)束時，PMOSFET的斷開時間遠大于其導通時間。當達到設置的脈沖通斷比時，整個充電過程結(jié)束（見圖6）。

3.結(jié)語

本文介紹了一種基于MAX1679鋰離子電池充電控制集成電路的USB智能插排的設計，通過MAX1679集成電路對整個充電過程進行智能控制，具有電路簡單，成本低廉，使用方便等的特點，可以有效避免充電過程中可能出現(xiàn)的過流或過壓現(xiàn)象，同時對整個充電過程進行檢測，防止出現(xiàn)過充，提高鋰離子電池的使用壽命。

參考文獻

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[2]趙同賀編著.新型開關(guān)電源典型電路設計與應用[M].機械工業(yè)出版社，2010：156-158.

[3]王水平，武芒，彭學愚.開關(guān)電源及其發(fā)展動態(tài)[J].電子科技，1996（2）：3-10.

[4]郭炳焜，徐徽，王先友，肖立新等編著.鋰離子電池[M].中南大學出版社，2002：66-72.

[5]Maxim Integrated.MAX1679 datasheet[E].1999.09.

[6]cjsyc.電路保護知識詳細介紹.電子電路網(wǎng)[E].2012-08-20.

[7]黃繼昌，仝慶居，喬蘇文，張海貴，徐巧魚編著.電源專用集成電路及其應用[M].人民郵電出版社，2006：180-186.

作者簡介：辛凱（1992—），男，山東青島人，大學本科，現(xiàn)就讀于德州學院機電工程學院。