能存储信息的移动电源的设计

文/沈红雷

能存储信息的移动电源的设计

文/沈红雷

电子信息化时代的到来，智能手机已经普及，使移动电源成为必备，但因其体积相对较大，携带不便，如今，小小的U盘作为移动信息存储设备，因其体积轻巧而备受大家喜爱。本文设计了一种带有信息存储功能的手机移动电源。在U盘模块中，有一个U盘插口，可与电脑相连接进行信息处理；在移动电源模块设计有开启、关闭按钮来控制移动电源的通断；侧面有手机充电插口及移动电源插口。本设计解决了两者的携带问题并加强使用功能，显著效果在于：集移动电源、信息存储、信息处理于一体，携带方便，操作简单，能直接通过手机处理信息，可广泛应用于各类电子设备上。

移动电源 U盘 信息存储 信息处理

1 概述

1.1 选题背景及目的

在现在这个社会上，手机、MP3、ipad等移动电子设备已经是完全地普及开来了，而有些设备经常会出现电量不足的情况，所以移动电源就可以完美地解决这个问题，不过一般情况下的移动电源相对来说是比较大的，很多人会因为携带不方便而放弃它。而U盘作为移动信息存储设备，大多数人都会在身上带着1-2个U盘，如果再加上移动电源的话，那么人们身上的空间可以说是被占用了很大一部分，所以我就想要制作出一个可以将两者合一、方便携带的设备。本文设计了具有信息存储功能的手机移动电源。

1.2 具有信息存储功能的手机移动电源设计思路

我所设计的是一种具有信息存储功能的手机移动电源，由U盘、移动电源组成．其特征在于：移动电源内装有基本电路板，电路板上装有：充、放电模块、信息存储模块、信息处理模块。移动电源侧面有手机充电接口以及移动电源充电插口，正面有移动电源的控制按钮：当按下启动按钮时，移动电源可以正常给手机、MP3等电子设备充电；当按下关闭按钮时，移动电源不能给手机等电子设备充电。该两个按钮均不影响对移动电源的充电功能，对于U盘的使用也不影响。在移动电源的尾部有一盖子，将U盘插口盖住，以防止U盘插口损坏，致使移动电源的信息存储以及信息处理功能不能正常使用。在移动电源通过U盘插口接入电脑时，可以正常给移动电源充电，并且可以在电脑上进行U盘内信息的处理。

图1：具有信息存储功能的手机移动电源结构图

图2：具有信息存储功能的手机移动电源工作框图

图3：移动电源工作框图

图4

2 设计原理

如图1所示，为具有信息存储功能的手机移动电源结构图，本设计分为两个模块：一为U盘模块，一为移动电源模块。在U盘模块中，有一个U盘插口，可以通过此插口与电脑相连接，进行信息的处理；在移动电源模块中，有移动电源开启按钮和移动电源关闭按钮，分别控制移动电源的通断，侧面有手机充电插口，用以给手机等移动设备充电，在给手机充电的同时，可以通过手机处理U盘内的信息；以及移动电源充电插口，用以给移动电源充电。

如图2所示，为具有信息存储功能的手机移动电源的工作框图，在图中可看出，在用普通充电器为移动电源充电时是无法处理U盘中的数据的，但是当我们用电脑USB充电或者直接将U盘插入电脑时，都可以处理U盘中的数据；另外，当手机与移动电源进行连接时，可以通过移动电源上的开启/关闭按钮进行操控，来决定是否需要直接在手机上对U盘进行信息数据处理。

3 硬件设计

3.1 移动电源电路的组成及原理

所谓的移动电源，也就是充电宝，是把储存电能、升压、释放电能、充电管理的功能合为一体的一种方便携带的移动设备。

移动电源由电芯、直流升压电路模块、充电管理电路模块以及外壳组成。

3.1.1 移动电源电芯

目前市场上的电芯主要分为两种：高级锂聚合物电芯和18650锂电芯，而本设计中使用的是18650锂电芯。

图5

图6：稳压供电电路模块

18650锂电芯是目前移动电源中使用最为广泛的一种电芯，它的标准电压为3.7V，容量一般都在2000～3000毫安之间。而我们之所以用来储存电能的介质都是锂离子电芯，是因为锂离子电芯具有如下优点：

（1）电压高；

（2）比能量大；

（3）循环寿命长；

（4）安全性能好；

（5）自放电小；

（6）快速充电；

（7）工作温度适宜；

（8）价格适中。

这些优点对于储能介质来说都是非常重要的，而我们常用的移动电源对于这方面的要求也是极为严格的，所以这些优点也就造就了锂离子电芯的实用性，所以有很多数码产品的电池都是使用的锂电池。

而一般的锂电池工作电压很低，标准的电压为3.7V。虽然锂电池的电压也会随着电池容量的上升而上升，但是最高也只能上升到4.2V。但是一般来说，大多数数码产品，如：手机、MP3、MP4、笔记本电脑……，这些数码产品的标准充电电压都是要5V的，而2.7V-4.2V的电压明显是不能给这些数码产品充电，所以这就需要将锂电池自身的电压“增高”，当升到足够高（通常为5V）的时候，才能正常给数码产品充电。

3.1.2 直流升压电路模块

直流升压在移动电源中的定义，就是把锂电池中较低（这里为3.7V）的电压，升高到需要的电压。目前的直流升压电路都是先通过高频振荡来获得一个低压，再通过变压器将这个低压提升至一开始设定好的电压值，最后再经过整流输出我们想要的较高（移动电源中一般设定为5V）的直流电压。这种升压方式也被称之为DC-DC升压，也叫直流升压电路，简单来说就是一种将直流电转换直流电的电路。

但是在国内，这种升压的转换率一般都比较低，约为50～70%。

3.1.3 充电管理电路模块

充电管理电路模块针对的是移动电源内电能使用完之后，对移动电源进行的充电。

在移动电源充电时，充电管理电路模块主要是根据充电电压的大小，来调节充电的电流大小，以减小充电对电池的损伤。

3.1.4 外壳

外壳一般分为两种：塑料壳和金属壳。

3.2 U盘电路

U盘，也叫USB闪存驱动器，是一种通过USB接口，直接插在电脑USB中，和电脑进行连接，并可以在电脑上处理U盘里的数据、资料等等，实现信息的存储、处理。也是人们日常生活中最常用的数据存储设备中的一个。

3.2.1 U盘电路的组成

U盘因为体型较小，方便携带，所以它的组成结构也是相当简单，由USB接口、主控芯片、FLASH（闪存）芯片、以及外壳组成。

（1）USB接口。USB接口，相当于是U盘的“肉体”，主要作用就是连接到电脑上，建立起电脑主机或者手机与U盘的沟通桥梁，以方便对U盘内的数据进行处理。如果USB接口出现损坏时，U盘将无法与电脑、手机进行沟通。

（2）主控芯片。主控芯片，也就是U盘的“大脑”，主要负责连接闪存芯片与USB接口，同时也控制着U盘各类器件的协调。只有有了主控芯片，电脑主机才能识别出U盘。

U盘的主控芯片型号较多，最受欢迎的属于群联PHISON主控芯片，因为这款芯片的兼容性相对于其他主控芯片来说，是最好的一款；而且这款芯片的读写速度在与其他芯片作比较之后，也是读写最快的芯片。

我所采用的是au9380芯片。

（3）FLASH（闪存）芯片。FLASH（闪存）芯片是U盘真正的核心，起着最主要的作用。U盘内所有的数据的“存放地”。并且在电脑上处理U盘内的文件时，就算出现了断电、跳闸的情况，U盘内的文件也会原封不动的保留在U盘内，不会出现数据丢失的情况，性能极为可靠。我采用的是NAND闪存设备是一种非易失性存储技术，即断电后仍能保存数据。结合了EPROM和EEPROM结构它的发展目标就是降低每比特存储成本、提高存储容量。

（4）外壳。U盘的外壳多种多样，按照材料来分的话，可以分为塑料、木质、金属、硅胶等等；如果按照样式来分的话，可以分为简约型、卡通型、商务型、迷你型……

3.2.2 U盘电路的原理

当我们把U盘的USB接口和电脑主机进行连接的时候，电脑主机就会通过USB接口的连接处，向U盘供电。也就是说， U盘是不需要自己供电的，当需要使用时，直接与电脑主机连接即可实现正常工作。

在主机向U盘供电后，USB接口中的数据输入端将会变成高电平，输出端变成低电平；这样电脑主板就可以检测到U盘的连接状态，接着U盘的“大脑”，也就是主控芯片就可以调用U盘FLASH（内存）芯片中存储好的数据信息了，当调取到这些信息的时候，再通过USB接口传输到电脑主机中，而主机接收到这些信息之后，就会自己安装U盘的驱动程序。

等到安装结束之后，我们就可以在电脑PC端上看到U盘内存储着的数据信息了。当然，也可以对其进行处理、修改。

4 电路解析

4.1 移动电源电路工作框图

如图3所示。

4.1.1 充电

从Mini USB输入端输入电源，对移动电源充电，冲到电芯中，在充电过程中，由STM8S003检测充电状态，根据检测到的信号由I/O口输出控制LED亮灯

4.1.2 放电

使用时，按下控制开关，电芯输出3.7V电压，经由升压电路升到5V，再由USB输出端输出到手机等电子设备。同时STM8S003检测电芯内剩余电量，再控制LED亮灯状态。

4.2 U盘工作框图

4.2.1 滤波稳压供电电路模块

（1）滤波电路模块。图4、图5为滤波电路模块，图中所示的磁珠是为了消除信号线、电源线上的高频噪声和干扰，另外它还具有吸收静电脉冲的能力。

（2）稳压电路模块。图6为稳压供电电路模块，其中VCC为U盘插入电脑后得到的5V供电电压，VCC3.3是由主控电路稳压后得到的3.3V电压。

当U盘插入电脑时，由于VCC3.3的影响，USB-DP为高电平，USB-DM为低电平，所以电脑就可以检测到U盘已插入，这是电脑就可以读取到U盘里存储的信息了。

4.2.3 主控芯片电路模块

图7中，21号引脚与闪存芯片相连接，用来检测 fl ash芯片是否处于忙状态的。如果处于忙状态的话， fl ash的R/！B端是低电平，则21号引脚是低电平，否则不检测的话，则保持在高电平状态下。

4.2.3 fl ash芯片模块

如图8所示，I/O端连接主控芯片，主控芯片控制信号的输入或输出，由VCC2FM向闪存芯片供电。

图7：主控芯片电路模块

图8：flash（闪存）模块

图9：U盘与移动电源控制电路工作框图

4.3 U盘与移动电源控制电路工作框图

图9为U盘与移动电源控制电路工作框图，由图中可见，在移动电源内电芯输出电压经过升压电路后，形成5V电压，在正常情况下，移动电源可以通过USB端口进行充电，当按下启动开关SB2时，可以使用U盘进行数据处理；其中下拉电阻R是为了对U盘主控芯片进行保护，因为主控芯片一般可承受电压为500mv，但是移动电源一般为1A，所以为了防止电流过高烧坏，要加一个电阻分流。

[1]余金昌,元涛.计算机硬件与系统组建[M].中国铁道出版社,2007.

[2]王水平,于建国等.DC/DC变换器集成电路及应用[M].西安电子科技大学出版,2011.

[3]王雪.USB应用及开发宝典[M].机械工业出版社,2012.

[4]凡文.充电器电路[J].电子世界,2005.

[5]路秋生.常用充电器电路与应用[M].机械工业出版社,2004.

[6]阎石.数字化电子技术基础[M].高等教育出版社,2007.

作者单位 江苏联合职业技术学院苏州工业园区分院 江苏省苏州市 215123

沈红雷（1976-），男。硕士研究生。职称：高级讲师。研究方向为电子电工技术。