一款基于锂离子电池移动电源的设计

阳瑞新 邓华军 邓集萱

（安顺学院，贵州 安顺 561000）

智能手机逐渐成为日常生活中的“必要装备”，为解决其电池消耗大、待机时间短的问题，设计出一款便携式充电电源。

1 设计中的技术规范分析

1.1 锂离子电池的技术规范

标准充电电流，400mA～600mA，快速充电电流，小于1A。标准放电电流，440mA恒流放电，至电池电压为2.75V[1]，充电电压通常不要超过电池额定电压的3/2为佳[2]。

为了防止锂电池过度充电，需要对锂电池接过充保护电路，当电压超过过充电压检测点（4.25V）时，电路自动切断，充电器此时停止对电池充电。为了防止锂电池过度放电，需要对锂电池接过放保护电路，当电池电压低于过放电压检测点（2.7V）时，电路自动切断，电池不再对外供电。为了防止短路，锂电池接短路保护电路，即在锂电池被短路时，保护IC检测电池电流，若超过检测点电流，电路自动切断[3]。

1.2 手机充电器相关技术指标

智能机，通常充电电流为700mA左右，并且充电电压必须恒定。对手机进行充电，电源的电压、电流、及纹波相关的技术指标[4]。

表1 手机充电器技术指标

2 设计方案可行性分析

2.1 系统框架图

图1 系统框架

如图1所示，设计主要由六大块组成，其中过充保护电路、过放保护电路和电量显示电路模式基本一致，电路设计简单，但对于输入输出电路而言，根据电池组的组合方式不同，就有不同的电路设计方案，其主要分为升压和降压两大类：

本移动电源选择降压设计方案，为了减轻重量，充电流限电路可设在移动电源外部。

2.2 稳压性

采用LM2596-5V稳压，该管具有输出线性好且负载可调节的特点，输出电流可达3A，输入电压可达40V，还具有过热保护和限流保护功能，其待机能耗低、发热量低且转化率高，外围电路简单，仅需 4个外接元件即可，最重要的是该管具有开关功能，制作开关电源的[5]。

2.3 限流

为了防止输出电流过大而损坏用电器，故输出电流要限制在1A以内，本设计中采用三端稳压管和三极管配合限流，三极管基极接可调电阻，调节基极电流从而限制发射极电流，三端稳压管出于悬浮状态，仅仅保证三极管集电极与发射极两端电压稳定不变，这样一来，哪怕电池组电压随放电而降低，三极管两端电压始终保持不变[6]，因此，发射极的最大电流就始终保持不变，从而起到限流作用。

3 电路设计

输入电路与过充保护电路，加入输出电路、过放保护电路和电量显示电路整合后得到最终设计电路图如图2所示，其中，将电量显示电路中的四运算放大器的1脚与3脚间加反馈电阻R17，构成同相输入迟滞比较器，再输出连接到比较器LM311反相输入端进行反相转换，再由LM311，输出连接到稳压芯片5脚，构成过放保护电路。为不影响电量显示，将LED4与输出端相连。

图2 电路设计原理图

3.1 输出、过放保护电路

放保护电路主要是将之前的比较器的输出电压通过反馈网络（R4）加到同相输入端，形成正反馈，由于参考电压由稳压二极管获得，所以若将参考电压加到同相输入端，则反馈无效，所以，须将比较 电压加到同相输入端，将参考电压加到反相输入端，构成同相输入迟滞比较器。

3.2 输入、过充保护电路

输入电路与过充保护电路是根据输出电路和过放保护电路设计所得，采用LM2596稳压，此时应连接成输出可调电路，在之前的基础上增加一个1K电阻R3在4脚接地，4脚反馈网络中增加一个可调电阻R，同时并联一个电容即可，其输出电压为：

U=(1+R/R3)*5v

将比较器输出端与稳压管5脚连接即可完成过充保护。

3.3 电量显示电路

LM324为带有差动输入的四运算放大器，参考电压为5.1V接在反相输入端，检测电压接到同相输入端，电路分四段显示，小于8.4V时灯都不亮，表示电池电量为0%；8.4V至9.1V亮一个灯，表示电池电量为 0%-25%；9.2V至 10.1V亮两个灯，表示电池电量为25%-50%；10.2V至11V亮三个灯，表示电池电量为50%-75%；11V以上亮四个灯，表示电池电量为75%以上。

4 结语

设计根据移动电源的要求，通过探究锂电池的使用规范和了解手机充电需求，得出系统框架图，再通过分析充放电需求、过充和过放保护功能，在符合转化率与散热及封装要求的前提下，提出不同的设计方案，经过多次测试后，确定最终方案，从而做出最终产品。

最终产品以三节锂电芯作为储能元件，容量理论值为6000mA，但实际测试只有5000mA，可供容量为1900mA的手机充电两次，转化率达80%，输出电压为5V，输出电流小于1.5A。其操作简单，只有一个开关按钮，并且在体积和重量方面都符合实际要求。

移动电源设计的降压方面的一次设计尝试，虽然达到了移动电源的各项指标，但还有很多不足之处，主要是容量较小且存在微小的发热问题。

在今后的研究中，解决上述问题并且提高其性能和容量。解决移动电源容量较小的根本问题。

［1］郭炳焜.锂离子电池[M].长沙：中南大学出版社,2009.

［2］马玉林,尹鸽平.提高锂电池过充安全性研究进展[J].电源技术,2011，01，20.

［3］王骥,黄慧.手机锂电池充放电过程研究[J].大学物理实验,2009，12.

［4］李旭森.手机电池性能测试及方法探讨[J].科技与企业,2013，02.

［5］胡黄芳.大功能智能充电器与开关稳压电源的研究及设计[D].广东工业大学,2008，05，01.

［6］胡宴如,耿苏燕.模拟电子技术基础[M].2 版.北京：高等教育出版社,2010.