基于WEBENCH的USB碱性电池安全充电器电源设计

李明龙

摘要：碱性电池具有高能量输出及使用时间长的优点，被广泛应用于生活中无线键鼠、收音机、照相机及闪光灯等电子产品的供电。本文基于WEBENCH设计了USB碱性电池安全充电器电源系统，可实现对两节碱性干电池的USB安全充电。

关键词：碱性电池;WEBENCH;降压转换;TPS62122

中图分类号：TN86    文献标识码：A     文章编号：1007-9416（2018）10-0000-00

1引言

碱性电池有高能量输出及使用时间长的优点，被广泛应用于生活中无线键鼠、收音机、照相机及闪光灯等电子产品的供电。碱性电池的购买非常方便，生产的厂商也最多。不过，经过一段时间的使用放电后，碱性电池的电压会下降。虽然现在的碱性电池已大部份无汞，但是随着使用量巨增而大量丢弃的电池仍对环境保护产生极大压力。如按照目前碱性电池使用量来看，如果对碱性电池进行充电，重复使用，废弃电池量将大为减少，极大地降低丢弃一次性电池给环境造成的污染，同时亦可以降低用户的累计使用成本。为此，本文基于TI的WEBENCH设计网站，设计了碱性电池USB充电器安全电源，可为两节电量用尽的碱性干电池充电。

2碱性电池充电的可行性

对于碱性电池能否充电的问题，有两种不同的观点。一种观点认为可以充，效果非常好。另一种观点认为，碱性电池绝对不能充电，碱性电池外包装的说明中已经有所提示，如果充电会有爆炸的危险。事实上，只要遵循科学正确的充电原则，碱性电池确实可以充电[1]。

碱性电池充电的关键是控制充电温度。碱性电池的密封性比较好，如果充电电流太大，导致内部发热严重，可能会引起电池外壳爆裂。只要能做到对电池充电时不出现高温，就可以顺利地完成充电过程，直至将电池内部的锌柱消耗完为止。碱性电池的可充电次数一般为30-50次，正确的安全充电方法要求有两点[2]：

（1）小电流充电，50mA为宜，不应超过70mA。

（2）不过充，不过放（充电电压在1.3V到1.7V之间）。

只要充电器满足以上两点，就可以保证充电过程的安全性，实现对碱性电池的安全充电[3]。

3电源系统设计方案

TPS62122芯片是一种同步降压的高效的低功耗DC-DC转换器，支持范围为2V至15V的工作输入电压，可实现范围为1.2V至5.5V的可调工作输出电压，转换效率高达96%，输出电流可达75mA，并允许使用小的外部电感器和电容器。

本USB充电器电源系统对两节碱性干电池串联充电，充电电压应为3V，同时应满足小电流充电的安全充电原则，即充电电流应控制在50mA左右，不应超过70mA。

考虑到本设计电源系统的具体要求，并结合WEBENCH设计网站的优化工具芯片选型分析的结果，本USB充电器电源系统采用TPS62122降压转换器芯片进行充电电路设计。

4电源系统的设计

本USB充电器电源系统利用TI的WEBENCH网站进行电源电路设计[4]，设计的具体步骤如下：

（1）在WEBENCH 设计器页面输入设计电源需要的供电要求、输入电压最小值4V和最大值5V，输出电压3.0V，输出电流0.05A和环境温度25摄氏度，然后点击“开始设计”，如图1所示。

（2）点击开始设计后，WEBENCH设计器会给出可供选择的设计方案。在给出的各个设计方案中，可根据选择使用的核心芯片以及各方案中的相关参数选择最符合自己要求的设计方案。其中，可以利用WEBENCH工具的选型、仿真和优化工具帮助自己比較、选择合适的芯片。经过比较分析，本USB充电器电源系统选用效率最高、价格相对较低的TPS62122降压转换芯片。使用优化工具比较选择过程的相关操作如图2所示，其中最优方案使用红框标出。

（3）选定 TPS62122芯片所对应的方案，点击“开始设计”，WEBENCH 会给出基于芯片TPS62122的设计详情，其中包括图表、原理图、工作数值、元件清单等等，可据此进行本充电器电源系统的电路设计和制作，如图3与图4所示。

（4）根据WEBENCH给出的充电器电源系统设计电路图，在Altium Designer 10软件中画出充电器电源系统的电路的原理图和PCB图，如图5与图6所示。

5电源系统测试结果

5.1系统仿真测试

为检验所选方案的相关特性，实际制板做实物前首先使用WEBENCH设计网站的仿真功能进行系统仿真测试[5]。仿真测试结果如图7至图10所示。当输入电压为5V时，系统的稳态运行波形图与负载暂态波形图如图7与图8所示，上电时刻的波形图如图9所示;当输入电压有4V到6V的波动时，仿真测试结果如图10所示。

由仿真测试图可看出，本方案满足碱性电池安全充电的要求，稳定性也较强，可以选用。

5.2 实物测试结果

为了反映USB充电器电源系统的稳定性，需要引入两个系统稳定性参数ε、Δ以表示系统输出量的相对稳定性。其中，ε表示此USB充电器电源系统输出电压与设定电压的偏差;Δ表示此USB充电器电源系统输出电流与设定电流的偏差。参数的定义如下    ，

其中，n为测量次数，Ui为每次测量的电压值，Ii为每次测量的电流值。

USB充电器电源系统输出电压使用万用表直接测量，输出电压使用万用表串联阻值为18欧姆的电阻以模拟待充电电池测量。在有效测量内测量多组数据，并对数据进行分析，求出相应的ε、Δ参数。

经六组实验测量，可由测试数据结合上述公式计算可得系统精度参数。测试参数记录表如1。