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基于DCDC转换移动电源的研究与设计.doc
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基于DCDC转换移动电源的研究与设计.doc
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摘要:目前人们生活水平的不断提高,随身携带式的电子产品也越来越多为了解
决续航问题需要一种移动电源。因此本文设计了一款基于 DC-DC 升压型移动开
关电源的电路,该电路采用聚合物电池电源管理方案实现,能满足 5V 移动设备
的续航要求。电路中主要由单片机 SN8P2711 来控制锂电池充电模块的工作与休
眠,实现锂电池电量的显示以及电源输出的开关,同时也控制 DC-DC 升压电路
的工作与否。该设计主要是实现聚合物电池的充电以及放电。设计的主要理念是
实现电能的高效率转换。该移动开关电源具有输出电压纹波小,转换效率高,最
高转换效率达到 89%,具有良好的性能和负载调整能力。
关键词:DC-DC 转换;开关电源; SN8P2711;移动电源;
Research and design of DC-DC conversiton mobile power
Abstract: At present people's living standards continue to improve, carry portable
electronic products is also increasing , so a mobile power is needed to solve the
endurance problem. This paper designs a circuit based on DC-DC boost mobile
switching power, using polymer battery power management program ,it can power 5V
mobile devices. In this circuit charging, display of the lithium battery and power
output are mainly controlled by the microcontroller SN8P2711 lithium, meanwhile
it control the work of DC-DC boost circuit. The design of the main polymer battery
energy storage and discharge. The main design philosophy is to achieve
high-efficiency conversion of electrical energy. The mobile switching power supply
output voltage ripple, high conversion efficiency, the highest conversion efficiency of
89%, with good performance and load regulation capability.
Keywords: DC-DC converter; switching power supply; SN8P2711; mobile power;
目 录
1 概述 ............................................................1
1.1 DC-DC 移动电源简介.......................................................................................................1
1.2 DC-DC 移动电源的发展与趋势.......................................................................................1
1.3 本文研究的意义..............................................................................................................3
2 移动电源基础 ....................................................4
2.1 移动电源的定义..............................................................................................................4
2.2 移动电源的适用范围......................................................................................................4
2.3 移动电源的技术..............................................................................................................5
2.4 移动电源工作原理..........................................................................................................5
2.5 电源电芯..........................................................................................................................5
2.6 升压系统..........................................................................................................................6
2.7 充电管理系统..................................................................................................................6
2.8 移动电源的基本构成......................................................................................................6
3 移动电源硬件设计方案 ............................................7
3.1 移动电源系统框架结构..................................................................................................7
3.2 硬件设计框图..................................................................................................................7
3.3 锂电池充电电路..............................................................................................................8
3.3.1 AP5056 电路工作过程.........................................................................................9
3.3.2 芯片热保护功能................................................................................................10
3.4 DC-DC 升压电路设计.....................................................................................................11
3.4.1 外围器件的选择................................................................................................11
3.5 聚合物电池保护电路设计............................................................................................12
3.6 电阻分压采样电路........................................................................................................14
3.7 单片机控制电路设计....................................................................................................14
3.7.1 单片机 SN8P2711A 简介 .................................................................................14
3.7.2 单片机引脚图及功能........................................................................................15
3.7.3 单片机控制电路................................................................................................16
3.8 负反馈控制 PWM 实现稳压功能电路............................................................................19
4 系统软件设计方案 ...............................................20
4.1 程序设计步骤................................................................................................................20
4.2 程序设计流程图............................................................................................................20
4.3 单片机软件控制工作说明............................................................................................21
5 移动电源设计实物图 .............................................22
5.1 设计实物图以及标注....................................................................................................22
6 总结 ...........................................................23
[参考文献] ........................................................24
附 录 ............................................................25
1 概述
1.1 DC-DC 移动电源简介
DC-DC 移动电源转换系统是利用电能转换技术将电池或其他直流电源等一
次电能转换成适合各种用电对象的二次电能供应的装置,是电子工业的基础产品,
一切便携式电子设备的动力心脏。DC-DC 电源转换系统的性能直接影响到整个
电子系统的安全性和可靠性指标。随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备
与人们工作和生活的关系变得日益密切。同时,电子产品正向多元化发展,对电
源的设计要求变得越来越高。近几十年来,在微电子技术推动作用下,DC-DC
开关电源转换技术得到了飞速发展,成为了电源管理系统的一个重要分支。就目
前的发展状况来看,电源管理处于电源技术的核心地位,从 2006 年在深圳召开
的全球半导体大会可以看出目前电源管理在半导体市场中所处的位置,目前电源
管理市场的增长超过半导体行业的增长。这里主要有三点因素,基于此既能看到
机遇,同时也显示出极大的挑战。一是便携性需求增加,但对电池管理和电源管
理要求也更高;二是节能要求,要求市场当中采取新的方法实现节能,如果要使
用高效率电源管理的话就需要不断创新的电源管理方法,这就对电源管理芯片设
计者们提出了新的要求,比如必须有待机状态的电源管理,或者采用新的技术进
一步减小芯片内部的功耗;三是不同的应用领域也推动电源管理市场的发展,目
前市场出现高度的多元化,包括 PC、手机、数字电视、掌上电脑、数码相机等
等,很多应用都要求有更长的电池寿命,重量轻,体积小等。新兴市场和新兴应
用将是半导体发展非常重要的两点,也是电源管理发展的重点
[1]
。
1.2 DC-DC 移动电源的发展与趋势
开关电源最大的应用领域是在通信行业。近十年来我国通信事业快速发展,
通信电源也同步增长。日本和美国的电子工业和通信业很发达,因此对电源的需
求量非常大。在 2000 年,由于亚洲通信事业的高速发展,对电源供应和管理电
路的需求量在全球市场上的比例升至 10%,并且这个比例在今后一段时间还将迅
速增长,从而成为世界上最有发展潜力的电源供应市场之一。2004 年全球嵌入
式 DC-DC 转换器的出货量约为 1.21 亿只。针对这些不同的应用,性能管理、热
效能管理等都非常重要。在第十二届国际集成电路研讨会上也道出中国的半导体
消费在未来的几年内仍将保持高速增长,到 2010 年中国芯片的产值将超过 1000
亿美元,因此电源管理芯片有极大的发展空间。中国在电源管理 IC 方面起步较
晚,但是进步相当迅速。比如国内的圣邦微电子、长运通、美芯等都开始崛起,
推出了自己的电源管理 IC。圣邦微电子己经推出的电源管理 IC 主要针对手持设
备,主要是一系列以低功耗、低噪声、高 PSRR 为特征的芯片;关注的重点也是
MP3、MP4、手机等便携式手持设备市场。台湾地区进军电源管理市场也比较晚,
但是近二十年来发展也很快,在 2004 年台湾前七大电源管理芯片厂商的营收总
和比前一年增长了 24.4%,占全球电源管理芯片的 5.5%
[2]
。
开关电源是电源管理中非常重要的一员,被誉为“高效节能电源”,它代表
着稳压电源的发展方向,现己成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器
件工作在高频开关状态,自身消耗的能量很低,电源效率可达 70%~80%,比普
通的线性稳压电源提高近一倍。开关电源亦称为无工频变压器的电源,它是利用
体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的,不仅能去掉笨重的工频变
压器,还可采用体积较小的滤波元件和散热器,这就为研究与开发高效率、高密
度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。自上世纪 60 年代开关
电源问世以来,经过 40 余年的高速发展,其经历了功率半导体器件、高频化和
软开关技术和开关电源系统的集成技术三个发展阶段。当今开关电源更是发展势
头良好,向着效率更高,体积更小,电磁污染更少,可靠性更高的“四更”方向
发展,出现了四大明显趋势:一是非隔离 DC-DC 技术迅速发展;二是开关电源
数字化趋势明显,目前大多数的模拟电路系统都逐步实现了数字化,近年来数字
电源也初现端倪,据报道 TI 公司己经研发出了多款数字式 PWM 控制芯片;三
是初级 PWM 控制 IC 不断优化,这是针对隔离式 DC-DC 变换器而言的,随着技
术的不断发展和各大公司不遗余力的研究,在初级端采用的有源箱位技术己经做
到了完美无缺的地步,全桥移相技术也达到了顶峰;四是同步整流技术实现高效
率,该技术自诞生以来使得开关电源技术得到了极大的发展。目前同步整流技术
都在努力实现 ZVS (Zero Voltage Switching), ZCS(Zero Current Switching)方式的
同步整流,综合采用软开关技术和同步整流技术的中小功率的 DC-DC 变换器其
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