一种多功能便携式充电电源的设计

石学美

（青岛钜洋信息工程有限公司，山东 青岛 266000）

0 引 言

随着现代化信息社会的飞速发展，多类便携式设备被普遍应用于人们的日常生活和工作中，如MP4、笔记本电脑、iPad、手机以及小型电子游戏等。人们日常外出工作或游玩遇到电量不足且身旁又无充电电源时，会影响人们的工作与游玩[1]。为有效解决这一问题，提出一种多功能便携式充电电源的设计思路，设计功率较大且重量轻的便携式多功能充电电源[2]。该多功能便携式充电电源可以实现220 V交流电和12 V直流电的一体化，能够支持220 V、12 V以及5 V的直流输出。

1 系统设计方案

多功能便携式充电电源系统的硬件设计，包括操作板、主控板以及逆变器板3部分。其中，主控板控制电源的整体充放电电路，操作板显示具体电量及其输出信息，逆变器板实现12 V直流电和22 V交流电的有效转换[3]。主控板通过CONN1B与操作板相连接，借助墨水屏能显示电池的具体电量。触控开关可以针对性选择电压输出端口。COON2与DC-AC逆变器相连接，逆变电路运用单极SPWM调制方式，运用电压电流双闭环反馈控制。CONN3与蓄电池相连接，本次设计研究中运用了12 V/14 A的酸铅电池[4]。充电电源主控板系统框图如图1所示。

图1 充电电源主控板系统框图

2 充放电电路设计

该电源系统充电情况下，可以与12 V直流电源外接为蓄电池充电。图2为蓄电池充电示意图。与220 V电源外接时，经AC-DC外置模块，成功转换为12 V直流输入。充电过程中，经SMT32F101单片机有效控制，分立PWM控制器与MOS-FET相配合[5]，有效满足充电控制的同时，更好地实现处理错误、检测电池以及定时控制等多项功能。充电过程中运用单片机控制，以电池具体的充电曲线进行电压检测，并选择针对性的充电方式。实际充电中，以电池的电压状态为依据，充电方式可分为慢充、快充、涓流预充以及自动终止充4种。11.5 V以内电压下快充时，借助横流充电；13.5 V电压下慢充时，借助恒压充电。

图2 蓄电池充电示意图

该电源系统放电能满足12 V/5 V直流和220 V交流的输出。点击面板按键能有效控制开关输出电压[6]，且绿色LED能充分显示目前的输出状态。12 V输出可通过单片机有效控制MOS管，决定开端输出回路。在完成电流采样后加以反馈，输出电流较阈值明显较大时，切断单片机的输出回路，有效保护电路。5 V直流输出能调节DC/DC开关稳压芯片，保证稳定的电压输出值。将12 V直流逆变运用于220 V交流输出，这种逆变电路可运用全桥架构式主电路，经SPWM控制产生正弦交流电，有效提升系统效率和电压输出波形的质量。11 V以内的电池电压下，系统会关闭全部输出自动化，停止对外部供电。

3 充放电管理

3.1 充电管理

该充电电源充放电的控制管理中，可以运用PWM脉宽调频，选择STM32单片机，利用不同信号所占据占空比的差异化控制调频信号。通过控制开关管，可实现对充电电流的有效控制。通过运用STM32内的FTM模块，可有效控制PWM的输出模式，最终获得同样的输出模式[7]。实际充电中运行的电流值在放大后与单片机的ADC端口相连接。单片机在准确读取电流值后，能设定较实际的充电电流。若实际运行的电流值较小，可以通过PWM占空比进行适当调整，有效增加充电电流。充电部分的输出波形图如图3所示。

图3 充电部分输出波形图

3.2 放电管理

电池放电过程中，运用不同的设计电路能够产生差异化输出值。图4为电池立体图。运用AE2596稳压模块，输出5 V的直流电流值。12 V直流电池可以经过整流二极管，与输出端相连接，经滤波电路实现输电电压供外部设备正常应用，经I/O接口可以实现单片机对开关的实时控制。12 V直流输出电路与充电电路控制十分类似[8]。回路负极进行控制过程中，可以通过晶体管控制MOS的输出驱动，有效提升电流的输出能力。运用全桥逆变式输出电路，设计高频升压变压器、周波转换电路以及LC滤波输出电路。运用SPWM逆变控制电路的单极三角波采样方式，可获得同等的脉宽中心线间隔，有效保证半周期的脉宽一致性，方便通过微处理器有效控制脉宽系数。

图4 电池立体图

4 保护方案设计

为有效提升多功能便携式充电电源的适用性、安全性、自动性以及可靠性，本次设计的电源装置在故障保护等方面采取丰富措施，形成了十分完善的保护控制系统。保护电路的系统原理如图5所示。控制单元的保护作用实是保护、控制以及显示电源，因此在设计电源保护控制单元的过程中，需要采取过压、欠压以及缺相等保护措施，同时包括直流输出的过流保护、过压保护、过温保护以及轻载保护，能够控制电源的启动和停止、转换工作模式以及进行复位等。显示功能可以充分显示不同的故障状态，以便提示操作人员及时进行操作，为检修调试提供了便捷。

图5 保护电路设计

5 多功能便携式充电电源手机控制

设计多功能便携式充电电源时，手机间实现了蓝牙的无线通信，即经蓝牙开关有效控制电路开关，并实时显示电池状态。运用UART串口连接单片机和蓝牙模块，CC2540芯片的蓝牙模块能支持4.0标准，AT指令可有效连接单片机和蓝牙模块。在具体的通信过程中，将手机作为主要设备，蓝牙作为辅助设备，采用字符串方式实现信息的有效传输。

6 结 论

文章设计了一种多功能便携式充电电源，能满足用户日常充电和放电的需求，可实现蓝牙与手机的无线连接，同时可运用手机移动终端显示电池信息和输出电情况，出现异常问题时可及时报警。经测试，不同的输入指标与输出指标都能满足具体的设计需求，能有效控制并跟踪电池的最大功率和充电曲线，从而充分延长充电电源的使用期限，提升产品性能。此外，该供电电源实现与手机和iPad的无线蓝牙连接，可有效控制电池输出，监控电池状态。