淺析移動電源電路的設計方案

东莞建亚电子有限公司

  近年來，由于便攜式産品的普及化，如智能手機、平板電腦、筆記本電腦、MP3隨身聽等，幾乎人人都使用這些便攜式産品，但是當你出門在外正在使用智能手機打電話或使用平板電腦看影片時，電池突然沒電了，常常讓人覺得非常無奈。爲避免外出時遇上智能手機或平板電腦沒電的窘況，對于這些便攜式産品來說，移動電源(Power Bank)幾乎成爲必備的配件。同時，隨著锂離子電池相關技術的快速發展，使得移動電源的電池容量愈來愈大但體積卻不增反減，大大提升了移動電源攜帶的便利性。

　　目前，移動電源本身除了追求愈來愈大的電池容量與僅可能輕薄小巧的外型外，其充電所需的時間長短與可釋放出來的總電量多寡也爲消費者選購時關心的重點。因此，如何設計充電時間短、轉換效率高的移動電源電路，亦爲移動電源産品設計上的重要課題。有鑒于此，本文將說明如何實現一體積小、效率高的移動電源電路。


　　電路方案

　　目前移動電源的電路方案大致上可分爲三種，第一種方案是Charger IC + Boost IC，此種方案利用Charger IC對移動電源的锂電池充電，Boost IC對移動裝置放電，如圖1所示。第二種方案是MCU + Charger IC + Boost IC，除了第一種方案的部分外，多了MCU對锂電池及輸入輸出電壓作偵測，此種方案目前比較常見，如圖2所示。第三種方案則是MCU + Combo IC，此種方案是將Charger IC及Boost IC整合成一顆IC，可以減少零件的數量，節省PCB空間，如圖3所示。而本文將針對目前比較常見的第二種方案做詳細介紹。



　　移動電源電路

　　這幾年，隨著便攜式産品不斷成長，移動電源的需求也持續增加，輕薄小巧、快速充電、轉換效率高及高安全性等也成爲消費者購買移動電源時的首要考慮，爲了滿足消費者的需求，許多公司都推出移動電源解決方案，在此我們以沛亨半導體所開發的AIC6511及AIC3420作爲設計範例，提供給讀者參考。

　　從上一節可以得知，一個完整的移動電源電路包含了電池充電管理IC、升壓轉換器IC及MCU，每個部分都會影響移動電源的整體效能，所以選用適當的 IC是非常重要的。圖4所示爲本文所要介紹的移動電源電路，主要由AIC6511锂離子電池充電轉換器、AIC3420升壓轉換器及MCU所組成。底下將針對所提出的移動電源電路做詳細的說明。


　　A。　锂離子電池充電轉換器

　　锂離子電池是目前應用最廣泛的可重複充電式電池，可將單顆锂電池用于低功率産品，也可以將多顆锂電池串並聯得到更高電壓與容量，例如移動電源就是將多顆锂電池並聯來獲得高容量。锂電池具有能量密度高、自放電率低、無記憶效應、壽命長、重量輕等優點，非常適合做爲便攜式産品的電力來源。

　　锂電池充電IC分爲線性式及切換式兩種，線性式充電IC的成本低，IC接腳數較少，只需要少數的被動組件。然而線性式充電IC有較大的功率損耗，若設計不好常會導致IC溫度過高，且一般移動電源大多使用散熱較差的塑料外殼，使得線性式充電IC無法提供較大的充電電流，因此線性式充電IC通常比較適合低容量锂離子電池應用。若希望在短時間之內將電池充飽，則必須要提高充電電流，此時可以考慮應用切換式充電IC。切換式充電IC利用開關的高頻切換來達到能量的傳遞，可提供較大的充電電流，且具有高轉換效率不會有過熱現象，適合高容量電池的充電應用。

　　充電過程中，當電池電壓上升到4.2V時，要立即停止充電，以避免電池過充而産生危險，而當電池放電時，電池電壓如果降至2.5V以下，要立即停止放電，以免電池過放而減少電池的使用壽命。除此之外，锂電池在應用上，還會加上短路保護電路，防止锂電池因短路而造成危險。

　　锂電池對充電要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的±0.5%之內。目前锂電池充電最常采用三段充電法，即預先充電模式(Trickle Charge Mode)、定電流充電模式(Constant Current Charge Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Charge Mode)。充電IC在充電前會偵測電池的狀態，若電池電壓大于3V，將以定電流充電模式充電;若電池電壓低于3V，則以預先充電模式(約10%的定電流充電模式充電電流) 充電，到接近終止電壓時，改爲定電壓模式充電，此時電池電壓幾乎不變，但充電電流會持續下降，當充電電流降到某一值時(約10%的定電流充電模式充電電流)，充電電流會被關閉，完成充電。