3-INPUT便携式设备电源的设计与制作

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     一、设计思路

  本文介绍一种通用性较强、成本低廉的便携式电源系统设计与制作,系统具有两种供电模式,可采用外接电源供电,也可由内置锂电池供电,系统最终输出电压均为3V,两者同时存在时,优先选择外接电源供电。具有两种外接电源接口,电源适配器和USB 接口,两者同时使用时,电源适配器具有优先权。本系统可广泛应用于各种便携式设备,有较强的实用性和较好的市场前景。

  电源模块外形封装如图1。


 

图1 电源模块

  电源系统原理框图如图2,由输入选择电路选择外接电源的供电方式,电源输入的电压值为4.5~6 伏,有外接电源时,直接经3.3V 稳压器稳压后输出,如果电池电量不足时,同时通过锂电池充电电路对锂电池进行充电;没有外接电源时,由锂电池供电,经3.3V低压差线性稳压器稳压后输出,供电选择电路根据是否有外接电源,选择由外接电源供电或者锂电池供电。


 

图2 原理框图

  二、电路设计

  1. 输入选择电路

  输入选择电路用以实现对外接供电电源的选择,本设计中采用目前主流的USB 供电以及电源适配器供电两种方式,以适应不同的供电环境,外接电源的供电电压需在4.5V~6V 之间,当两者共同存在时,适配器具有优先权,具体实现方法如图3,分以下三种情况:


 

图3 输入选择电路

  ●只有电源适配器供电,PMOS 管截止,输入电压经D1 降压后,给后级电路供电,D1 采用肖特基二极管,导通压降约为0.3V ;

  ●只有USB 供电,PMOS 管导通,D1 用于防止USB 接口通过电阻R2 消耗电能;

  ●两者同时存在,PMOS 管截止,电源适配器输入电压经D1 降压后,给后级电路供电。

  2. 锂电池充电管理电路

  锂电池充电电路采用CN3052 锂电池充电芯片,CN3052 可以对单节锂电池进行恒流或恒压充电,只需要极少的外围元器件,可编程设定充电电流,恒压充电电压为4.2V。并且符合USB 总线技术规范,非常适合于便携式应用的领域。

  应用电路如图4,只需要很少的外部元件,输出电压4.2V,精度可达1% ,CE 为芯片使能端,高电平有效。

  绿色LED 用于指示电池是否处于故障状态,红色LED用于指示是否处于充电状态。本设计中TEMP 管脚接到地,未使用温度检测功能。R4 用于设定恒流充电电流,计算公式为:

  I =1800V/ R4 ;

  本设计中R4 为10KΩ,充电电流为180mA。



 

图4 锂电池充电管理电路

  3. 电池输出稳压电路

  因锂电池电量不同时,输出电压可在大约3.5~4.3V之间变动,采用低压差线性稳压器(LDO)对电池输出电压进行稳压,经稳压后输出恒定的3.3V 电压,本设计采用TPS76333 稳压芯片,只需极少的外围元件,使用方便,此稳压芯片最大可输出150mA 电流。电路图如图5 所示。


 

图5 电池稳压电路

  4. 外接电源稳压电路

  因电池供电时,经LDO 电路稳压后,输出电流有限,当有外接电源时,稳压方式采用SPX1117-3.3V 稳压器进行稳压,输出电流可达800mA。电路图如图6 所示。


 

图6 外接电源稳压电路

  5. 供电选择及输出电路

  如图7 所示,分以下三种情况:

  只有外接电源,未接锂电池时,电源输入电压经SPX1117-3.3V 稳压器稳压,输出3.3V 电压。

  只有锂电池,无外接电源时,电池输出电压经TPS76333 稳压, 输出3.3V 电压经D2 降压后输出,D2 为肖特基二极管,最终输出电压为3V 左右。

  两者同时存在时,D2 截止,由外部电源供电,输出3.3V 电压。


 

图7 供电选择电路图

  6. 系统整体电路

  系统整体电路如图8 所示。


 

图8 整体电路

  三、实物制作

  采用单面布线,设计完成的PCB 布线图,如图9。

  单面板制板完成效果图,如图10。

  焊接完成的电路板如图11 所示。


 

图9 PCB布线图


 

图10 制板效果图


 

图11 实物图

  四、元件及其参数