基于WEBENCH的USB堿性電池安全充電器電源設計

李明龍

摘要：堿性電池具有高能量輸出及使用時間長的優點，被廣泛應用于生活中無線鍵鼠、收音機、照相機及閃光燈等電子產品的供電。本文基于WEBENCH設計了USB堿性電池安全充電器電源系統，可實現對兩節堿性干電池的USB安全充電。

關鍵詞：堿性電池;WEBENCH;降壓轉換;TPS62122

中圖分類號：TN86? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2018）10-0000-00

1引言

堿性電池有高能量輸出及使用時間長的優點，被廣泛應用于生活中無線鍵鼠、收音機、照相機及閃光燈等電子產品的供電。堿性電池的購買非常方便，生產的廠商也最多。不過，經過一段時間的使用放電后，堿性電池的電壓會下降。雖然現在的堿性電池已大部份無汞，但是隨著使用量巨增而大量丟棄的電池仍對環境保護產生極大壓力。如按照目前堿性電池使用量來看，如果對堿性電池進行充電，重復使用，廢棄電池量將大為減少，極大地降低丟棄一次性電池給環境造成的污染，同時亦可以降低用戶的累計使用成本。為此，本文基于TI的WEBENCH設計網站，設計了堿性電池USB充電器安全電源，可為兩節電量用盡的堿性干電池充電。

2堿性電池充電的可行性

對于堿性電池能否充電的問題，有兩種不同的觀點。一種觀點認為可以充，效果非常好。另一種觀點認為，堿性電池絕對不能充電，堿性電池外包裝的說明中已經有所提示，如果充電會有爆炸的危險。事實上，只要遵循科學正確的充電原則，堿性電池確實可以充電[1]。

堿性電池充電的關鍵是控制充電溫度。堿性電池的密封性比較好，如果充電電流太大，導致內部發熱嚴重，可能會引起電池外殼爆裂。只要能做到對電池充電時不出現高溫，就可以順利地完成充電過程，直至將電池內部的鋅柱消耗完為止。堿性電池的可充電次數一般為30-50次，正確的安全充電方法要求有兩點[2]：

（1）小電流充電，50mA為宜，不應超過70mA。

（2）不過充，不過放（充電電壓在1.3V到1.7V之間）。

只要充電器滿足以上兩點，就可以保證充電過程的安全性，實現對堿性電池的安全充電[3]。

3電源系統設計方案

TPS62122芯片是一種同步降壓的高效的低功耗DC-DC轉換器，支持范圍為2V至15V的工作輸入電壓，可實現范圍為1.2V至5.5V的可調工作輸出電壓，轉換效率高達96%，輸出電流可達75mA，并允許使用小的外部電感器和電容器。

本USB充電器電源系統對兩節堿性干電池串聯充電，充電電壓應為3V，同時應滿足小電流充電的安全充電原則，即充電電流應控制在50mA左右，不應超過70mA。

考慮到本設計電源系統的具體要求，并結合WEBENCH設計網站的優化工具芯片選型分析的結果，本USB充電器電源系統采用TPS62122降壓轉換器芯片進行充電電路設計。

4電源系統的設計

本USB充電器電源系統利用TI的WEBENCH網站進行電源電路設計[4]，設計的具體步驟如下：

（1）在WEBENCH 設計器頁面輸入設計電源需要的供電要求、輸入電壓最小值4V和最大值5V，輸出電壓3.0V，輸出電流0.05A和環境溫度25攝氏度，然后點擊“開始設計”，如圖1所示。

（2）點擊開始設計后，WEBENCH設計器會給出可供選擇的設計方案。在給出的各個設計方案中，可根據選擇使用的核心芯片以及各方案中的相關參數選擇最符合自己要求的設計方案。其中，可以利用WEBENCH工具的選型、仿真和優化工具幫助自己比較、選擇合適的芯片。經過比較分析，本USB充電器電源系統選用效率最高、價格相對較低的TPS62122降壓轉換芯片。使用優化工具比較選擇過程的相關操作如圖2所示，其中最優方案使用紅框標出。

（3）選定 TPS62122芯片所對應的方案，點擊“開始設計”，WEBENCH 會給出基于芯片TPS62122的設計詳情，其中包括圖表、原理圖、工作數值、元件清單等等，可據此進行本充電器電源系統的電路設計和制作，如圖3與圖4所示。

（4）根據WEBENCH給出的充電器電源系統設計電路圖，在Altium Designer 10軟件中畫出充電器電源系統的電路的原理圖和PCB圖，如圖5與圖6所示。

5電源系統測試結果

5.1系統仿真測試

為檢驗所選方案的相關特性，實際制板做實物前首先使用WEBENCH設計網站的仿真功能進行系統仿真測試[5]。仿真測試結果如圖7至圖10所示。當輸入電壓為5V時，系統的穩態運行波形圖與負載暫態波形圖如圖7與圖8所示，上電時刻的波形圖如圖9所示;當輸入電壓有4V到6V的波動時，仿真測試結果如圖10所示。

由仿真測試圖可看出，本方案滿足堿性電池安全充電的要求，穩定性也較強，可以選用。

5.2 實物測試結果

為了反映USB充電器電源系統的穩定性，需要引入兩個系統穩定性參數ε、Δ以表示系統輸出量的相對穩定性。其中，ε表示此USB充電器電源系統輸出電壓與設定電壓的偏差;Δ表示此USB充電器電源系統輸出電流與設定電流的偏差。參數的定義如下? ? ，

其中，n為測量次數，Ui為每次測量的電壓值，Ii為每次測量的電流值。

USB充電器電源系統輸出電壓使用萬用表直接測量，輸出電壓使用萬用表串聯阻值為18歐姆的電阻以模擬待充電電池測量。在有效測量內測量多組數據，并對數據進行分析，求出相應的ε、Δ參數。

經六組實驗測量，可由測試數據結合上述公式計算可得系統精度參數。測試參數記錄表如1。