一種多功能便攜式充電電源的設計

石學美

（青島鉅洋信息工程有限公司，山東 青島 266000）

0 引 言

隨著現代化信息社會的飛速發展，多類便攜式設備被普遍應用于人們的日常生活和工作中，如MP4、筆記本電腦、iPad、手機以及小型電子游戲等。人們日常外出工作或游玩遇到電量不足且身旁又無充電電源時，會影響人們的工作與游玩[1]。為有效解決這一問題，提出一種多功能便攜式充電電源的設計思路，設計功率較大且重量輕的便攜式多功能充電電源[2]。該多功能便攜式充電電源可以實現220 V交流電和12 V直流電的一體化，能夠支持220 V、12 V以及5 V的直流輸出。

1 系統設計方案

多功能便攜式充電電源系統的硬件設計，包括操作板、主控板以及逆變器板3部分。其中，主控板控制電源的整體充放電電路，操作板顯示具體電量及其輸出信息，逆變器板實現12 V直流電和22 V交流電的有效轉換[3]。主控板通過CONN1B與操作板相連接，借助墨水屏能顯示電池的具體電量。觸控開關可以針對性選擇電壓輸出端口。COON2與DC-AC逆變器相連接，逆變電路運用單極SPWM調制方式，運用電壓電流雙閉環反饋控制。CONN3與蓄電池相連接，本次設計研究中運用了12 V/14 A的酸鉛電池[4]。充電電源主控板系統框圖如圖1所示。

圖1 充電電源主控板系統框圖

2 充放電電路設計

該電源系統充電情況下，可以與12 V直流電源外接為蓄電池充電。圖2為蓄電池充電示意圖。與220 V電源外接時，經AC-DC外置模塊，成功轉換為12 V直流輸入。充電過程中，經SMT32F101單片機有效控制，分立PWM控制器與MOS-FET相配合[5]，有效滿足充電控制的同時，更好地實現處理錯誤、檢測電池以及定時控制等多項功能。充電過程中運用單片機控制，以電池具體的充電曲線進行電壓檢測，并選擇針對性的充電方式。實際充電中，以電池的電壓狀態為依據，充電方式可分為慢充、快充、涓流預充以及自動終止充4種。11.5 V以內電壓下快充時，借助橫流充電；13.5 V電壓下慢充時，借助恒壓充電。

圖2 蓄電池充電示意圖

該電源系統放電能滿足12 V/5 V直流和220 V交流的輸出。點擊面板按鍵能有效控制開關輸出電壓[6]，且綠色LED能充分顯示目前的輸出狀態。12 V輸出可通過單片機有效控制MOS管，決定開端輸出回路。在完成電流采樣后加以反饋，輸出電流較閾值明顯較大時，切斷單片機的輸出回路，有效保護電路。5 V直流輸出能調節DC/DC開關穩壓芯片，保證穩定的電壓輸出值。將12 V直流逆變運用于220 V交流輸出，這種逆變電路可運用全橋架構式主電路，經SPWM控制產生正弦交流電，有效提升系統效率和電壓輸出波形的質量。11 V以內的電池電壓下，系統會關閉全部輸出自動化，停止對外部供電。

3 充放電管理

3.1 充電管理

該充電電源充放電的控制管理中，可以運用PWM脈寬調頻，選擇STM32單片機，利用不同信號所占據占空比的差異化控制調頻信號。通過控制開關管，可實現對充電電流的有效控制。通過運用STM32內的FTM模塊，可有效控制PWM的輸出模式，最終獲得同樣的輸出模式[7]。實際充電中運行的電流值在放大后與單片機的ADC端口相連接。單片機在準確讀取電流值后，能設定較實際的充電電流。若實際運行的電流值較小，可以通過PWM占空比進行適當調整，有效增加充電電流。充電部分的輸出波形圖如圖3所示。

圖3 充電部分輸出波形圖

3.2 放電管理

電池放電過程中，運用不同的設計電路能夠產生差異化輸出值。圖4為電池立體圖。運用AE2596穩壓模塊，輸出5 V的直流電流值。12 V直流電池可以經過整流二極管，與輸出端相連接，經濾波電路實現輸電電壓供外部設備正常應用，經I/O接口可以實現單片機對開關的實時控制。12 V直流輸出電路與充電電路控制十分類似[8]。回路負極進行控制過程中，可以通過晶體管控制MOS的輸出驅動，有效提升電流的輸出能力。運用全橋逆變式輸出電路，設計高頻升壓變壓器、周波轉換電路以及LC濾波輸出電路。運用SPWM逆變控制電路的單極三角波采樣方式，可獲得同等的脈寬中心線間隔，有效保證半周期的脈寬一致性，方便通過微處理器有效控制脈寬系數。

圖4 電池立體圖

4 保護方案設計

為有效提升多功能便攜式充電電源的適用性、安全性、自動性以及可靠性，本次設計的電源裝置在故障保護等方面采取豐富措施，形成了十分完善的保護控制系統。保護電路的系統原理如圖5所示。控制單元的保護作用實是保護、控制以及顯示電源，因此在設計電源保護控制單元的過程中，需要采取過壓、欠壓以及缺相等保護措施，同時包括直流輸出的過流保護、過壓保護、過溫保護以及輕載保護，能夠控制電源的啟動和停止、轉換工作模式以及進行復位等。顯示功能可以充分顯示不同的故障狀態，以便提示操作人員及時進行操作，為檢修調試提供了便捷。

圖5 保護電路設計

5 多功能便攜式充電電源手機控制

設計多功能便攜式充電電源時，手機間實現了藍牙的無線通信，即經藍牙開關有效控制電路開關，并實時顯示電池狀態。運用UART串口連接單片機和藍牙模塊，CC2540芯片的藍牙模塊能支持4.0標準，AT指令可有效連接單片機和藍牙模塊。在具體的通信過程中，將手機作為主要設備，藍牙作為輔助設備，采用字符串方式實現信息的有效傳輸。

6 結 論

文章設計了一種多功能便攜式充電電源，能滿足用戶日常充電和放電的需求，可實現藍牙與手機的無線連接，同時可運用手機移動終端顯示電池信息和輸出電情況，出現異常問題時可及時報警。經測試，不同的輸入指標與輸出指標都能滿足具體的設計需求，能有效控制并跟蹤電池的最大功率和充電曲線，從而充分延長充電電源的使用期限，提升產品性能。此外，該供電電源實現與手機和iPad的無線藍牙連接，可有效控制電池輸出，監控電池狀態。