一种基于MAX1679的USB智能插排设计

辛凯 李彩霞 李祥春 王灿

【摘要】本文介绍了一种可以为各种手机、PDA、移动电源、USB外设等设备充电（供电）的，基于MAX1679锂离子电池充电控制集成电路的USB智能插座。本插座的设计主要由电源转换电路、充电电路和保护电路等组成，体积小巧，可以方便的放置于书桌及办公桌等家具上进行使用。

【关键词】插座;智能插座;USB插座;MAX1679

Abstract：This article introduces a design of smart USB power plot based on MAX1679，which is consisted of AC-DC converter circuit，charging circuit and protection circuit. A variety of mobile devices，mobile phones，for instance，mobile power pack，USB peripherals and something like this，can conveniently be charged up through the plot. It can be expediently used on the desk，office tablet etc.

Key words：power plot;smart power plot;USB hub;MAX1679

1.引言

随着现代科技尤其是移动通信技术的发展，我们的日常生活正被各类便携式移动设备侵袭，各种类型的智能手机、平板电脑、智能手表以及移动电源正逐渐成为我们日常生活的必需品。通常我们会用充电器者通过电脑USB接口对它们进行充电。使用充电器充电简单方便，但是一次为多款设备充电会占用家中的插座资源，影响其他电器的使用，尽管目前市面上现在已经出现了USB插排，但其多是在传统插排的基础上增加1-2个USB充电接口，在为多款设备充电时，依然会出现占用资源的问题，并且无法智能实现对电池充电的保护;通过电脑USB接口充电，不影响我们对移动设备的使用，但对于仅仅配备2-4个USB接口的笔记本电脑或者台式电脑来说，无疑会使本就紧缺的USB接口资源更加紧张。

图1 设计效果图

2.工作原理

考虑到我们常常需要一次为多款设备进行充电，并考虑到其他小功率用电设备，如台灯、音响等的用电需求，本插座专门针对移动设备和其他用电设备设计了相互独立的电源接口，以方便其用电需求。本设计共分为两部分，USB供电端和市电供电端。主要包括：过流保护电路、开关电源电路和智能充电电路等：

图2 结构原理框图

2.1 过流保护电路

短路，即电路中电流不流经负载直接与电源两级连接在一起的现象。根据欧姆定律可知，在系统电压不变的情况下，电流的

大小与电阻值得大小成反比关系，因而电路发生短路时，电流将非常大，往往会超出用电器规定的额定电流，用电器有被烧毁的危险;由焦耳定律可知，在导线电阻一定的情况下，导线会因过流而出现温度迅速升高的情况，轻则烧毁导线的绝缘层，严重时甚至会引起火灾。为避免短路可能造成的危险，通常采取在电路中加入过流保护元件的方式，对整个电路进行保护。通过对不同过流保护元件特性的分析，最终我们采用了自恢复保险丝来构成过流保护电路。

自恢复保险丝是一种由高分子有机聚合物和导电粒子构成的过流保护元件。自恢复保险丝在常态下的电阻非常低。当电路发生短路或者过载时，伴随着整个电路电流的急剧增大，保险丝的电阻值迅速增大，将电路电流切断因而可以对电路起到保护作用，避免了因短路对用电器造成的损坏以及火灾的发生;当断电或故障排除后，恢复为正常状态，免去了普通保险丝熔断后需要人工更换的烦恼。

通过分析图3曲线不难看出：正常工作时电流通过电阻丝产生的热量比较低，电阻丝的发热量与散热量处于动态平衡中（阶段一、二）;随着电路中电流的进一步增大，电阻丝的发热量开始逐渐超过散热量，发热量与散热量的动态平衡逐渐被打破（阶段三）;由于发生过载或短路导致电阻丝产生大量的热量，此时即便是很小的温度变化也会导致电阻丝的电阻值发生剧烈变化。第5阶段为禁用区。分析图4曲线可知，在切断电源或故障排除后，自恢复电阻丝的电阻值会随着温度的下降而逐渐恢复正常。

图3 自恢复保险丝电阻—温度特性

图4 阻值与恢复时间关系

2.2 开关电源电路

开关电源又称开关型稳压电源，是一种采用半导体管元件将电源从一种形态转换成另一种形态的转换电路。相较于常见的线型稳压电源，开关电源具有如下特点：

（1）体积小、重量轻[2]。

（2）功耗小、效率高[3]。

（3）稳压范围宽[3]。

（4）稳定性和可靠性高[3]。

开关电源电路主要可以分为整流电路和控制电路两部分。交流电输入后，经过第一次整流滤波，功率变换和第二次整流滤波电路，最终被转换为系统所需的直流电压输出。控制电路通对比反馈信号与设定信号进而产生控制信号，在保证直流输出符合要求前提下，实现对开关电源的短路保护、输出过压保护和限压保护（见图5）。

2.3 充电电路

目前广泛应用于手机、笔记本电脑以及其他各类数码产品中的锂离子电池具有体积小，能量密度高，无记忆效应，循环寿命高[4]等特点。通过对锂离子电池的结构进行分析，一旦在充电的过程中出现过充，电池内部的电解液等物质就会分解并产生大量气体，轻则使电池报废，严重时甚至会引起电池的爆炸。在《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》中的“5.3.2.1充电方法”，规定了锂电池需要采用恒流恒压的方式进行充电，充电限制电压4.2V。充电过程中首先采用恒流（）充电的方式将电池电压升高至4.2V，而后进行恒压充电。当恒压充电的充电电流降至0.1A以内时，停止充电。

根据多方统计，在电子产品出现的故障中，有75%是由于过流/过压造成的[6]。因而在对锂离子电池进行充电式时，除了要满足电池的充电要求，同时也要避免过流或过压现象出现。

综合以上要求，我们选择MAX1679锂离子电池充电控制集成电路作为充电电路的控制芯片。MAX1679是由全球领先的半导体制造供应商Maxim Integrated开发的一款单节锂电池脉冲充电控制器，充电控制精达0.75%，内置充电终止检测电路和充电过程控制器，具有快速充电、脉冲充电、欠压/欠温充电、过热保护和总充电时间超时保护等功能，能够实现安全可靠的充电启动和终止控制[5]。考虑到MAX1679集成电路通过外接P沟道场效晶体管（PMOSFET），便可以对单节锂离子电池进行智能充电，且由其组组成的充电电路较为简洁，因而具有较高的性价比。

MAX1679完整的充电过程包括[7]：

①初始化充电阶段：在该过程中系统以较小的充电电流（5mA）对电池进行预充电，以使电池电压大于2.5V。整个充电阶段允许的电池温度为2.5℃到47.5℃，超出此温度范围充电过程自动暂停，待电池温度恢复到允许范围后后重新开始充电。

图6 MAX1679应用电路电路图

②快速充电阶段：当电池电压大于锂离子电池放电终止电压时，快速充电阶段开始，MAX1679控制外接的PMOSFET接通，使电池有电流流入。快速充电阶段结束的条件是MAX1679的充电过程控制器和充电终止检测电路检测到电池电压达到锂离子电池充电限制电压。

③脉冲充电阶段：当达到锂离子电池充电限制电压或阈值电压，快速充电阶段结束时，充电电路自动进入脉冲充电阶段。在此阶段，当MAX1679芯片检测到电池电压小于内部阈值时，外部PMOSFET导通，电池将被充电以使电压升高值充电限制电压或阈值电压;当检测到电池电压达到或超过内部阈值时，PMOSFET断开，停止充电。在脉冲充电阶段接近结束时，PMOSFET的断开时间远大于其导通时间。当达到设置的脉冲通断比时，整个充电过程结束（见图6）。

3.结语

本文介绍了一种基于MAX1679锂离子电池充电控制集成电路的USB智能插排的设计，通过MAX1679集成电路对整个充电过程进行智能控制，具有电路简单，成本低廉，使用方便等的特点，可以有效避免充电过程中可能出现的过流或过压现象，同时对整个充电过程进行检测，防止出现过充，提高锂离子电池的使用寿命。

参考文献

[1]沙占友，王晓君，唱春来.自恢复保险丝的原理与应用[J].电工技术，2000（1）：38-39.

[2]赵同贺编著.新型开关电源典型电路设计与应用[M].机械工业出版社，2010：156-158.

[3]王水平，武芒，彭学愚.开关电源及其发展动态[J].电子科技，1996（2）：3-10.

[4]郭炳焜，徐徽，王先友，肖立新等编著.锂离子电池[M].中南大学出版社，2002：66-72.

[5]Maxim Integrated.MAX1679 datasheet[E].1999.09.

[6]cjsyc.电路保护知识详细介绍.电子电路网[E].2012-08-20.

[7]黄继昌，仝庆居，乔苏文，张海贵，徐巧鱼编著.电源专用集成电路及其应用[M].人民邮电出版社，2006：180-186.

作者简介：辛凯（1992—），男，山东青岛人，大学本科，现就读于德州学院机电工程学院。