1、 電能收集器硬件設計 electrical energy collector hardware design 20122012 屆屆 電氣工程電氣工程 系系 專專 業業 電子信息工程電子信息工程 學學 號號 學生姓名學生姓名 指導教師指導教師 完成日期完成日期 20122012 年年 5 5 月月 1515 日日 畢業設計成績單畢業設計成績單 學生姓名學號班級專業電子信息工程 畢業設計題目電能收集器硬件設計 指導教師姓名 指導教師職稱講師助教 評 定 成 績 指導教師 得分 評閱人得分 答辯小 組組長 得分 成績： 院長(主任) 簽字： 年 月 日 畢業設計任務書畢業設計任務書 題 目電能收集

2、器硬件設計 學生姓名學號班級專業電子信息工程 承擔指導任務單位電氣工程系 導師 姓名 導師 職稱 講師 一、主要內容 設計一個電能收集充電器，該充電器的核心為直流電源變換器，它從一個 5v 直流電源中 吸取電能，以盡可能大的電流充入一個可充電池。并在充電結束后可以在相同接口將電能輸 出。 二、基本要求 1. 在充電電壓 5v，10%狀態下可以進行充電，充電電流500ma 。 2. 當進行放電時 電壓不低于 5v，放電電流可達到 1a。 3具有保護電路，防止過壓，過充；以及具有輸出短路過載等保護。 4采用標準 usb 接口，進行設計，方便充放電。 4. 完成電路圖和印制板圖設計。 三、主要技術指

3、標（或研究方法） 1. 可采用專用電源芯片。 2. 要有必要的充電指示，電源容量 和放電指示。 3完成電路原理圖、pcb 圖設計。 4完成設計說明書。 5設計說明書正文不少于 1.5 萬字，查閱文獻資料不少于 15 篇，其中外文文獻 2 篇以 上，翻譯與課題有關的外文資料不少于 3000 漢字。 四、應收集的資料及參考文獻 dc-dc 電源變換技術 可充電電池充電技術 電源芯片應用 電壓監測控制 五、進度計劃 第 1 周： 開題，完成開題報告。 第 2 周第 3 周： 資料收集，文獻閱讀。 第 4 周第 8 周： 系統設計，電路實現，程序仿真。 第 9 周第 11 周： 期中檢測，系統綜合調試

4、。 第 12 周： 系統統調完成。 第 13 周第 14 周：設計說明書撰寫。 第 15 周第 16 周：答辯環節。 教研室主任簽字時間年 月 日 畢業設計開題報告畢業設計開題報告 題目電能收集器硬件設計 學生姓名學號班級 專業電子信息工程 1、研究背景 電池充電是通過逆化學反應將能量儲存到化學系統里實現的。由于使用的化學物質的不 同，電池有自己的特性。設計充電器時要了解這些特性，以防止過度充電損壞電池。一個好 的充電器設計，不僅能夠實時地對充電電路的電壓、電流等參數進行檢測，針對這些參數的 變化調整充電的電流、電壓，同時還能在較小充電電壓時對電池進行充電。 隨著科技的不斷進步，和人類文明不斷

5、發展，各類新型的充電器充斥著整個充電器行業， 新鮮的想法，巧妙的靈感創造出各式各樣新型的充電器，這些充電器不僅在整個系統的元器 件集成方面更小型化，而且在電能收集途徑更方便。如太陽能充電器、無線充電器、手動充 電器等等。 二、國內外研究現狀 鋰離子電池是目前比能量最高的一種便攜化學電源，它具有電壓高、比能量大、放電電 壓平穩、低溫性能好、安全性能優以及貯存和工作壽命長等優點。隨著當今電子設備小型化 和微型化的飛速發展，鋰離子電池的應用也越來越得到重視。大部分的數碼產品也是采用鋰 電池作為其能源提供端的。移動電源概念是隨著目前數碼產品的普及和快速增長而發展起來 的，其定義就是方便易攜帶的大容量隨

6、身電源。目前數碼產品功能日益多樣化，使用也更加 頻繁，如何提高數碼產品使用時間，發揮其最大功用的問題就凸顯重要了。移動電源，就是 針對并解決這一問題的最佳方案。擁有一塊電源，就可以在移動狀態中隨時隨地為多種數碼 產品提供電能(供電或充電)。 三、研究方案 充電部分針對 5v 的輸入電壓，利用電源轉換芯片實現降壓變換電路，達到輸出鋰電池 充電電壓，從而達到為鋰電池充電的目的。放電部分，輸出電壓是 3.7v，利用電源轉換芯 片，采用升壓變換電路，從而達到 5v 的輸出電壓。中間再加一個過充過放保護電路，利用 電源芯片實現功能。此為該設計的研究方案。 四、預期結果 符合了電能收集器的要求，根據 5v

7、 輸入電壓，采用直流電源變換電路，實現了鋰電池 充放電。符合了系統的各項要求。電路設計上比較簡化，減少了不必要的損耗。升壓和降壓 變換電路的占空比控制在了合理的范圍內，提高了變換電路的效率。 指導教師簽字時 間 年 月 日 摘要 隨著全球經濟的快速發展，人們生活水平的不斷提高，隨身攜帶式的電子產品 也越來越多，如筆記本電腦、平板電腦、手機、數碼相機、攝像機、便攜式 dvd、pda、mp3、mp4、gps、保暖設備、醫療保健設備等。它們都要用到電池， 但這些設備的原配電池都會因為電池容量低而不能滿足設備的正常使用時間。當出 差或旅游時又是這些設備的工作高峰期，經常在關鍵時刻電池沒有電了，讓我們感

8、 覺很無奈和無助。為了解決人們的這種煩惱問題，電能收集器應用而生。 本課題設計了一種高效、低功耗的電能收集器。該設備作為電源儲備，為手機、 mp3、mp4 等電子設備提供多次、充足的電能。本文包括電源芯片 tp4056 構成的 直流-直流轉換器(dc-dc 轉換器)降壓電路，實現充電環節。電源芯片 mc34063 構 成的 dc-dc 升壓電路，實現放電環節。過充過放保護電路則由 dw01 配 mos 管 8205a 來實現。 該電能收集器在為鋰電池充電時充電電流可達到 500ma 。鋰電池進行放電時 電壓不低于 5v，放電電流可達到 1a。具有保護電路，一旦過壓，過充，輸出短路 等情況，會立

9、即終止充放電狀態。 此電能收集器不僅能為許多電子設備充電，同時自身儲能也很方便，滿足了戶 外用戶的需求，具有很強的現實適用性。 關鍵詞：電能收集降壓電路升壓電路過沖過放保護電路 abstract with the rapid development of global economy, people living standard rise ceaselessly, carry type of electronic products more and more, such as laptops, tablet pcs, mobile phones, digital cameras, video

10、 cameras, portable dvd, pda, mp3, mp4, gps, warm equipment, medical treatment and health care equipment, etc. they all want to use the battery, but these devices will because the original battery capacity and low equipment can not meet the normal use of the time. when on business or travel is the eq

11、uipment peak work, often in the key moment battery without electricity, let us feel very helpless and helpless. in order to solve the problem of the people worry, electrical energy collector born application. in this paper, a kind of high efficient, low power consumption of electric energy collector

12、. the device as a power supply reserves, for mobile phones, mp3, mp4 and other electronic equipment provided many times, plenty of electricity. this article include power chip tp4056 consists of the dc-dc converters (dc-dc converter circuit)step-down circuit, realize the charging link. mc34063 consi

13、sts of the dc power supply dc-dc boost up circuit, achieve discharge link. overcharge discharge protection circuit by the dw01 mos tube with 8205a to realize. the electrical energy collector for lithium batteries in charge when current can be up to 500 ma. lithium batteries for electric discharge vo

14、ltage is not less than 5 v, discharge current can be up to 1 a. with the protection circuit, once over-voltage, overcharge, output short circuit, etc, will immediately terminate charge and discharge status. the electrical energy collector for many electronic equipment not only charge, and their own

15、energy storage very convenient also, meet the outdoor the needs of users, and has a strong suitability of reality. key words：electrical energy collectstep-down circuit boost-up circuit overcharge discharge protection circuit 目錄 摘要v 第 1 章緒論1 1.1課題研究的背景1 1.2課題研究的意義1 1.3課題研究的主要內容1 第 2 章 系統總體方案設計3 2.1功能

16、要求3 2.2設計思路3 2.3充電電池選擇方案3 2.4充電模塊選擇方案3 2.5放電模塊選擇方案4 2.6過充過放保護電路方案4 2.7總體設計框圖4 第 3 章系統硬件設計6 3.1概述6 3.2鋰電池6 3.3usb 接口8 3.4充電模塊12 3.4.1tp4056 芯片的簡介12 3.4.2充電模塊電路原理圖14 3.5放電模塊14 3.5.2放電模塊電路原理圖17 3.6過充過放保護電路模塊17 3.7 完整電路的原理圖19 4.1電能收集器在充電時的計算及測試結果:21 4.2電能收集器在放電時的計算及測試結果:21 4.3充放電指示介紹:22 第 5 章結論和展望23 參考文

17、獻25 致謝26 附錄27 附錄 a外文資料27 附錄 b電路原理圖及 pcb 圖33 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 1 第 1 章緒論 1.1課題研究的背景 現在市場上，便攜式電子設備越來越多，市場上的充電器，只是電器和電源之 間的連接適配器。此設備的電池容量和功耗卻遠遠不滿足市場的要求，對日常生活 特別是戶外生活造成諸多不便。我們大概都有過這樣的經歷：當出門在外，手機常 常因為使用而電池電量耗盡，即使是帶著充電器，又找不到電源，實在是叫天天不 應，叫地地不靈，造成了很多遺憾。隨著電子技術的發展，如何持續而方便地獲得 穩定電源，再度形成了市場瓶頸。 為此，制作多功能、高效、低耗、安全的電能

18、收集器，以滿足戶外需求，將有 很大的實用價值。鋰離子電池具有體積小、重量輕、比能量高、壽命長、可快速充 電等優點。相較于其它類型的電池而言，具有明顯優越的綜合性能。 1.2課題研究的意義 鋰離子電池的高效快速充電將成為一種趨勢，另外，它的特點決定了它要求有 性能完備、安全可靠的充電管理電路。隨著人們日常外出活動的頻繁，多功能大容 量的移動電源將會成為市場開發的另一個主要的方向。該產品可用來為 mp3、mp4、手機等電子設備充電。 1.3課題研究的主要內容 本論文主要是對鋰離子電池、usb 接口、開關電源芯片的基本知識、概念的應 用學習和研究，以及對電路圖 pcb 圖的學習及制作。該設計的目的是

19、設計一實現具 有充放電功能的電能收集器，可以用市面上常見的 usb 接口對鋰電池充放電，同時 保證鋰電池不會過充過放以燒壞鋰電池。本設計的主要工作有以下幾個方面： （1）整體方案的設計 方案的選擇要符合設計的要求，既要保證設計的電路簡單又要保證芯片的功能 能夠實現。本文研究設計的電能收集器是采用充電芯片 tp4056 和放電芯片 mc34063,以及保護電路芯片 dwo1 配 mos 管 8205a 來實現電能收集器的充電和放 電功能。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 2 （2）程序流程圖 一個程序要想實現其功能，不能沒有次序而盲目下手，必須對其有一個全面的 了解后畫出流程框圖，然后逐個模塊的

20、實現其功能，最終把模塊之間合理的連接起 來，構成完整程序。本設計的主要包括充電模塊、放電模塊、和防止電池過充過放 保護電路模塊。 （3）系統原理圖 pcb 圖及硬件調試實驗 本設計在進行硬件原理分析后，需要連接實物進行實際操作，檢驗自己的設計 是否可以行得通。需要在 protel99se 環境下畫出硬件原理圖 pcb 圖并進行電氣測試， 檢測無異議后進行硬件系統的調試實驗，為了保證系統的可靠性分析查找，硬件的 調試整個系統進行了模擬試驗。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 3 第 2 章 系統總體方案設計 2.1功能要求 1、用 5v 電壓以盡可能大的電流給可充電池充電，充電電流500ma 。

21、2.、當電能收集器進行放電時 電壓不低于 5v，放電電流可達到 1a。 3、具有保護電路，防止過壓，過充；以及具有輸出短路過載等保護。 2.2設計思路 此次課題的系統總體方案設計應包括充電電池的選擇，充電模塊、放電模塊、 過沖過放保護電路模塊功能的實現，這幾個大的部分組成。其中以可充電池作為核 心展開充電模塊、放電模塊和過充過放保護電路模塊的設計。充電模塊和放電模塊 是兩個獨立模塊，但都需要和過沖過放保護電路模塊結合在一起，以實現的課題要 求。 2.3充電電池選擇方案 方案一：可用充電電池鎳鎘電池，鎳鎘電池已為大眾早期廣泛使用，可重覆約 500 次之充放電，但約 10 次充放電后即會產生記憶效

22、應；缺點是，在充放電時，陰 極會長出鎘的針狀結晶，有時會穿透分隔物而引起內部枝狀晶體式的短路。由于含 有鎘之成份，因此必須回收。 方案一：可用充電電池鋰離子電池，該電池具有體積小、重量輕、比能量高、 壽命長、可快速充電等優點，且無記憶效應，身薄容量大。相較于其它類型的電池 而言，具有明顯優越的綜合性能。 鑒于上述對比與分析，本設計采用方案二。 2.4充電模塊選擇方案 方案一：可用電源芯片 tp4056，tp4056 是一款完整的單節鋰離子電池采用恒 定電流/恒定電壓線性充電器。其底部帶有散熱片的 sop8/msop8 封裝與較少的外 部元件數目使得 tp4056 成為便攜式應用的理想選擇。tp

23、4056 可以適合 usb 電源和 適配器電源工作，且性價比很高，可完全實現功能要求。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 4 方案二： 采用電源芯片 bq24070，由于該芯片成本較高且輸出電流達不到要 求的 500ma，電路也比較復雜，并不適合該設計。 鑒于上述對比與分析，本設計采用方案一。 2.5放電模塊選擇方案 方案一：采用電源芯片 mc34063，34063 由于價格便宜，開關峰值電流達 1.5a，電路簡單且效率滿足一般要求，且此芯片市面上很容易買到。 方案二：采用電源芯片 gs1661，由于該芯片是新生產的芯片價格比較昂貴，且 市面上很難買到，雖然能夠達到設計要求，但鑒于客觀事實，還是

24、放棄。 鑒于上述對比與分析，本設計采用方案一。 2.6過充過放保護電路方案 選用芯片 dwo1 配 mos 管 8205a 實現該方案。由于該方案電路簡單功能輕松 實現，故直接選擇。 2.7總體設計框圖 按照系統功能的具體要求，在保證實現其功能的然礎上，盡可能降低系統成本。 總體設計方案圍繞上述思想，初步確定系統的方案如圖 2-1 所示。 usb 接口 放電 電子設備電量指 示 放電電路 防過充電路紅燈閃綠燈亮 鋰電池 防過放電路 充電電路 usb 接口 充滿紅燈滅綠燈 亮 充電紅燈亮綠燈 滅 充電 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 5 圖 2-1 電能收集器流程圖 石家莊鐵道大學四方學院畢業設

25、計 6 第 3 章系統硬件設計 3.1概述 此次的畢業設計主要由 3 個大的模塊構成，分別是充電模塊、放電模塊、防止過充 過放保護電路模塊。其中充電模塊和放電模塊是兩個相對獨立的模塊，但他們都要 通過防止過沖過放保護電路模塊來與鋰電池相連，從而實現功能又不至于損害到鋰 電池的壽命。 3.2鋰電池 當今社會，鋰離子電池已經成為我們生活中必不可缺的部分，平均每個人擁有 好幾塊鋰電池，不論是手機，還是筆記本電腦還是數碼相機的舞臺，也都少不了鋰 離子電池的身影。 隨著鋰在動力電池和儲能等新興領域應用的快速增長，鋰動力電 池有望成為鋰消費的最大領域，全球鋰行業正迎來歷史性的發展機遇。通過本次的 畢業設計

26、我相信我會對鋰離子電池有一個更加清晰的認識。 首先，鋰電池是如何站在眾多電池的肩膀上發展起來的。世界上第一個電池是 由意大利人伏打發明的，伏打電堆，跟原電池差不多，世界上第一個可充電電池法 國人普蘭特發明的鉛酸蓄電池，隨后還有鎳鎘鎳氫電池，直到 1991 年鋰離子電池問 世并商業化生產，鋰離子電池以容量大，電壓高，循環性能好等優越性能在眾電池 中脫穎而出，成為最理想最有前途的電池，但鋰電池的發展也并不是一翻風順，它 經歷了由金屬鋰電池發展到鋰離子電池的過程。金屬鋰電池，是指直接由金屬鋰參 與的電池，而鋰離子電池中就沒有金屬鋰了而是鋰的化合物。其中金屬鋰電池又包 括鋰一次電池和鋰二次電池，而鋰離

27、子電池只有二次電池。一次電池是不能充電的 電池，二次電池則可以充電。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 7 圖1-1鋰離子電池原理圖 我們最熟悉的金屬鋰一次電池便是手表，計算器和電腦主板中經常使用的紐扣 電池，它是典型的鋰錳一次電池，但是這種電池只能用一次，不夠環保。自然要發 展可以循環使用的二次電池，鋰二次電池曾經在很長的一段時間內研究的都非常熱 門，但至今以金屬鋰為負極的二次電池都沒有投入生產，這是為什么呢？關鍵是安 全問題。首先看一下鋰二次電池的工作原理。放電過程與前面相同，充電時過程相 反，外電路給負極提供了很多電子，鋰離子在負極獲得電子而析出，問題就出在金 屬鋰析出的過程發生了枝晶偏析

28、，即形成了樹枝狀的晶體，等樹枝長的足夠大便從 正極連到了負極，發生了短路，鋰電池便要發生爆炸。所以此時鋰二次電池的發展 便遇到了巨大的瓶頸。研究人員不得不去尋找一種能夠吸收金屬鋰防止枝晶偏析的 物質來代替鋰做負極，這個偉大的想法源于 1981 年 bell 實驗室，而他們找的這種物 質也是我們再熟悉不過石墨。大家都知道，石墨具有層狀結構，層間距是 0.355nm，而鋰離子只有 0.7 個埃，所以很容易插入石墨中，形成組成為 c6li 的石 墨層間化合物，這樣就避免了充電過程中鋰的枝晶偏析問題，成功解決了二次電池 的安全性問題，直接導致了鋰離子電池的產生。經過研究人員不斷的努力便得到了 我們現在

29、使用的商業化鋰離子電池。 鋰電池和鋰離子電池是 20 世紀開發成功的新型高能電池。鋰電池一般指鋰一次 電池和鋰二次電池。這種電池的負極是金屬鋰，正極用 mno2，socl2，等。 鋰一次電池的研究始于 20 世紀 50 年代，70 年代進入實用化。因其具有比能量 高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優點，已廣泛應用于軍事和民用 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 8 小型電器中，如移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等，部分代替了傳統電 池。 鋰二次電池安全性能尚未完全解決，仍處于實驗研究階段。鋰離子電池研究始 于 20 世紀 80 年代，1990 年日本 nagoura 等人研制成以石

30、油焦為負極、lic002 為正 極的鋰離子二次電池。同年，moll 和 sony 電池公司宣稱將推出以碳為負極的鋰離 子電池。1991 年，日本索尼電池部與能源技術公司聯合開發了一種以聚糖醇熱解碳 (pfa)為負極的鋰離子電池。 1993 年，美國 bellcore(貝爾電訊公司)首先報導了采用 pvdf 工藝制造成聚合物 鋰離子電池(plib)。國內生產聚合物鋰離子電池的廠家也在 20 世紀 90 年代相繼問 世，1999 年 12 月廈門寶龍工業有限公司、2000 年 7 月廣東惠州 tcl 金能電池有限 公司先后投產。據統計，全世界鋰離子電池的產量增長速度很快。 聚合物鋰離子電池容量比目

31、前的液態鋰離子電池容量大一些，且由于聚合物電 池材料柔軟，電池不漏液，易于制成超薄型和任意形狀的電池。因此，聚合物鋰離 子電池是小型電器，如筆記本電腦、移動電話、攝像機、照相機等的理想電源。 一般鋰電池單節標稱電壓為 3.6v3.7v，充電時，一般要求采用限壓限流法， 首先恒流充電，即電流一定，充電電流按國家標準規定的低倍率充電是 012c(仲裁 充電制式) ,最大不超過 1c；而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當電池端電壓達到 終止電壓 4.20.05v 時，應改恒流充電為恒壓小電流。充電模塊即使把 5v 直流電 源變為 3.7v 直流電源，放電模塊是把 3.7v 直流電源變為 5v 直流電源

32、。 3.3usb 接口 usb 全稱為 universal serial bus，即通用串行總線。它使得計算機周邊設備連 接標準化，它的優點是支持熱插拔、在開機情況下，可以安全地連接或斷開設備， 達到真正的即插即用。 隨著各種數碼設備的大量普及，特別是 mp3 和數碼相機的普及，我們周圍的 usb 設備漸漸多了起來。然而這些設備雖然都是采用了 usb 接口，但是這些設備 的數據線并不完全相同。這些數據線在連接 pc 的一端都是相同的，但是在連接設 備端的時候，通常出于體積的考慮而采用了各種不同的接口。 usb（universal serial bus）通用串行總線，是一種連接外部串行設備的技術

33、標 準，計算機系統接駁外圍設備(如鍵盤、鼠標、打印機等)的輸入/輸出。usb 使用一 個 4 針插頭作為標準插頭與外部設備進行連接。 在這個 4 針插頭中，有兩針為數據 通信線，而外側的兩針則為外部設備提供電源。 按照 usb 規范，每個 usb 接口應 能提供 500ma 的電流輸出；由 usb 主機或帶電源的集線器提供的 usb 接口，所接 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 9 外設端的最小可用電壓為 4.5v，而由 usb 總線驅動的集線器能提供的最小則應為 4.35v。值得注意的是，雖然 usb 規范定義了提供的電流上限不得超過 0.5a，但實 際上 usb 端口輸出的電流經常超過幾安培

34、。 usb 就是設備插架的一種規范。在 usb 方式下，所有的外設都在機箱外連接， 連接外設不必再打開機箱；允許外設熱插拔，而不必關閉主機電源。usb 采用級聯 方式，即每個 usb 設備用一個 usb 插頭連接到一個外設的 usb 插座上，而其本 身又提供一個 usb 插座供下一個 usb 外設連接用。 通過這種類似菊花鏈式的連接，一個 usb 控制器可以連接多達 127 個外設，實 際上只有 111 個外設.而每個外設間距離（線纜長度）可達 5 米。usb 能智能識別 usb 鏈上外圍設備的插入或拆卸，usb 為 pc 的外設擴充提供了一個很好的解決方 案。目前常見的 usb 接頭有兩種，

35、一種是“方的” ，另一種是“扁的” ，前一種就是 常說的 a 型頭，后一種為 b 型頭。兩種接頭都有四個引腳，中間兩個用來傳輸資料， 側面兩個給 usb 設備提供電源。接頭設計合理，用戶不會插錯的。 usb 接口如 3-1 a 型公口、3-2 mini b 型 5pin 接口、3-3usb 接口定義和表 3- 1usb 引腳定義所示： 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 10 圖 3-1usb a 型公口 圖 3-2mini b 型 5pin 接口 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 11 圖 3-3usb 接口定義 表 3-1usb 引腳定義 引腳功能顏色備注 1 v bus紅電源正 5v 2 da

36、ta-白數據- 3 data+綠數據+ 4 gnd黑地 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 12 3.4充電模塊 3.4.1tp4056 芯片的簡介 功能特性： tp4056 由于采用了內部 pmosfet 架構，加上防倒充電路，所以 不需要外部隔離二極管。熱反饋可對充電電流進行自動調節，以便在大功率操作或 高環境溫度條件下對芯片溫度加以限制。充電電壓固定于 4.2v，而充電電流可通過 一個電阻器進行外部設置。當充電電流在達到最終浮充電壓之后降至設定值 1/10 時， tp4056 將自動終止充電循環。 當輸入電壓（交流適配器或 usb 電源）被拿掉時，tp4056 自動進入一個低電 流狀態，將電

37、池漏電流降至 2ua 以下。tp4056 在有電源時也可置于停機模式，以 而將供電電流降至 55ua。 特點 高達 1000ma 的可編程充電電流 無需 mosfet、檢測電阻器或隔離二極管 用于單節鋰離子電池、采用 sop 封裝的完整線性充電器 恒定電流/恒定電壓操作，并具有可在無過熱危險的情況下實現充電速率最大 化的熱調節功能 精度達到1%的 4.2v 預設充電電壓 用于電池電量檢測的充電電流監控器輸出 自動再充電 充電狀態雙輸出、無電池和故障狀態顯示 c/10 充電終止 待機模式下的供電電流為 55ua 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 13 2.9v 涓流充電 軟啟動限制了浪涌電流 電池

38、溫度監測功能 采用 8 引腳 sop-pp 封裝 tp4056 引腳圖如下： 圖 3-1tp4056 芯片 管腳說明： temp（引腳 1）：電池溫度檢測輸入端。將 temp 管腳接到電池的 ntc 傳感器 輸出端。如果 temp 管腳的電壓小于輸入電壓的 45或者大于輸入電壓的 80， 意味著電池溫度過低或過高，則充電被暫停。 如果 temp 直接接 gnd，電池溫度 檢測功能取消，其他充電功能正常。 prog（引腳 2）：恒流充電電流設置和充電電流監測端。從 prog 管腳連接一 個外部電阻到地端可以對充電電流進行編程。在預充電階段，此管腳的電壓被調制 在 0.1v；在恒流充電階段，此管腳

39、的電壓被固定在 1v。 rprog 與充電電流的關系確定為 2000k 對應電流 580ma。 gnd（引腳 3）：電源地。 vcc(引腳 4)：輸入電壓正輸入端。此管腳的電壓為內部電路的工作電源。當 vcc 與 bat 管腳的電壓差小于 30mv 時，tp4056 將進入低功耗的停機模式，此時 bat 管腳 的電流小于 2ua。 bat（引腳 5）：電池連接端。將電池的正端連接到此管腳。在芯片被禁止工 作或者睡眠模式，bat 管腳的漏電流小于 2ua。bat 管腳向電池提供充電電流和 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 14 4.2v 的限制電壓。 stday（引腳 6）：電池充電完成指示端。當

40、電池充電完成時 被內部開關拉到 低電平，表示充電完成。除此之外，管腳將處于高阻態。 chrg（引腳 7）漏極開路輸出的充電狀態指示端。當充電器向電池充電時， 管 腳被內部開關拉到低電平，表示充電正在進行；否則 管腳處于高阻態。 ce（引腳 8）芯片始能輸入端。高輸入電平將使 tp4056 處于正常工作狀態； 低輸入電平使 tp4056 處于被禁止充電狀態。ce 管腳可以被 ttl 電平或者 cmos 電平驅動。 3.4.2充電模塊電路原理圖 圖3-2tp4056充電模塊電路原理圖 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 15 3.5放電模塊 3.5.1mc34063 芯片簡介： mc34063 是一單

41、片雙極型線性集成電路，專用于直流-直流變換器控制部分。 片內包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器、驅動器和大電流輸 出開關，能輸出 1.5a 的開關電流。它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、 降壓式變換器和電源反向器。 特點： *能在 3.0-40v 的輸入電壓下工作 *短路電流限制 *低靜態電流 *輸出開關電流可達 1.5a（無外接三極管） *輸出電壓可調 *工作振蕩頻率從 100hz 到 100khz mc34063 引腳圖及原理框圖： 圖3-3mc34063原理框圖 mc34063 電路原理 ： 振蕩器通過恒流源對外接在 ct 管腳(3 腳)上的定時電容不斷地充電和

42、放電以產 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 16 生振蕩波形。充電和放電電流都是恒定的，振蕩頻率僅取決于外接定時電容的容量。 與門的 c 輸入端在振蕩器對外充電時為高電平，d 輸入端在比較器的輸入電平低 于閾值電平時為高電平。當 c 和 d 輸入端都變成高電平時觸發器被置為高電平， 輸出開關管導通;反之當振蕩器在放電期間，c 輸入端為低電平，觸發器被復位，使 得輸出開關管處于關閉狀態。 通過電感的儲存釋放能量，使其兩端的電動勢極性與 電源極性相同，相當于兩個電源串聯，因而得到的負載電壓高于電源電壓，只要開 關管導通與關斷的頻率相對于負載的時間常數足夠高，負載上便可得到持續恒定的 直流電流。 電流

43、限制通過檢測連接在 vcc（即 6 腳）和 7 腳之間采樣電阻（rsc）上的壓 降來完成，當檢測到電阻上的電壓降接近超過 300 mv 時，電流限制電路開始工作， 這時通過 ct 管腳(3 腳) 對定時電容進行快速充電以減少充電時間和輸出開關管的 導通時間，結果是使得輸出開關管的關閉時間延長。 線性穩壓電源效率低，所以通常不適合于大電流或輸入、輸出電壓相差大的情 況。開關電源的效率相對較高，而且效率不隨輸入電壓的升高而降低，電源通常不 需要大散熱器，體積較小，因此在很多應用場合成為必然之選。開關電源按轉換方 式可分為斬波型、變換器型和電荷泵式，按開關方式可分為軟開關和硬開關。 mc34063

44、引腳圖如下： 圖 3-3mc34063 芯片 管腳說明： 1 腳：開關管 t1 集電極引出端； 2 腳：開關管 t1 發射極引出端； 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 17 3 腳：定時電容 ct 接線端；調節 ct 可使工作頻率在 100100khz 范圍內變化； 4 腳：電源地； 5 腳：電壓比較器反相輸入端，同時也是輸出電壓取樣端；使用時應 外接兩個精度不低于 1的精密電阻； 6 腳：電源端； 7 腳：負載峰值電流（ipk）取樣端；6，7 腳之間電壓超過 300mv 時，芯片將啟動內部過流保護功能； 8 腳：驅動管 t2 集電極引出端。 3.5.2放電模塊電路原理圖 圖 3-4mc3406

45、3 放電模塊電路原理圖 3.6過充過放保護電路模塊 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 18 下面以 dw01 配 mos 管 8205a 進行講解: 保護電路原理圖如下： 圖 3-5保護板原理圖 1.鋰電池保護板其正常工作過程為: 當電芯電壓在 2.5v 至 4.3v 之間時，dw01 的第 1 腳、第 3 腳均輸出高電平 (等于供電電壓)，第二腳電壓為 0v。此時 dw01 的第 1 腳 、第 3 腳電壓將分別加 到 8205a 的第 5、4 腳，8205a 內的兩個電子開關因其 g 極接到來自 dw01 的電壓， 故均處于導通狀態，即兩個電子開關均處于開狀態。此時電芯的負極與保護板的 p-

46、端相當于直接連通，保護板有電壓輸出。 2.保護板過放電保護控制原理: 當電芯通過外接的負載進行放電時,電芯的電壓將慢慢降低,同時 dw01 內部將 通過 r1 電阻實時監測電芯電壓,當電芯電壓下降到約 2.3v 時 dw01 將認為電芯電 壓已處于過放電電壓狀態，便立即斷開第 1 腳的輸出電壓，使第 1 腳電壓變為 0v，8205a 內的開關管因第 5 腳無電壓而關閉。此時電芯的 b-與保護板的 p-之間處 于斷開狀態。即電芯的放電回路被切斷，電芯將停止放電。保護板處于過放電狀態 并一直保持。等到保護板的 p 與 p-間接上充電電壓后，dw01 經 b-檢測到充電電 壓后便立即停止過放電狀態，

47、重新在第 1 腳輸出高電壓，使 8205a 內的過放電控制 管導通，即電芯的 b-與保護板的 p-又重新接上，電芯經充電器直接充電。 3.保護板過充電保護控制原理: 當電池通過充電器正常充電時,隨著充電時間的增加,電芯的電壓將越來越高，當 電芯電壓升高到 4.4v 時,dw01 將認為電芯電壓已處于過充電電壓狀態，便立即斷 開第 3 腳的輸出電壓，使第 3 腳電壓變為 0v，8205a 內的開關管因第 4 腳無電壓而 關閉。此時電芯的 b-與保護板的 p-之間處于斷開狀態。即電芯的充電回路被切斷， 電芯將停止充電。保護板處于過充電狀態并一直保持。等到保護板的 p 與 p-間接上 石家莊鐵道大學

48、四方學院畢業設計 19 放電負載后，因此時雖然過充電控制開關管關閉,但其內部的二極管正方向與放電回 路的方向相同,故放電回路可以進行放電,當電芯的電壓被放到低于 4.3v 時,dw01 停 止過充電保護狀態重新在第 3 腳輸出高電壓，使 8205a 內的過充電控制管導通，即 電芯的 b-與保護板 p-又重新接上，電芯又能進行正常的充放電. 4.保護板短路保護控制原理: 如圖所示，在保護板對外放電的過程中，8205a 內的兩個電子開關并不完全等 效于兩個機械開關，而是等效于兩個電阻很小的電阻，并稱為 8205a 的導通內阻， 每個開關的導通內阻約為 30mu 03a9 共約為 60mu 03a9

49、，加在 g 極上的電壓實際 上是直接控制每個開關管的導通電阻的大小當 g 極電壓大于 1v 時，開關管的導通 內阻很小(幾十毫歐)，相當于開關閉合，當 g 極電壓小于 0.7v 以下時，開關管的導 通內阻很大(幾 m)，相當于開關斷開。電壓 ua 就是 8205a 的導通內阻與放電電 流產生的電壓，負載電流增大則 ua 必然增大,因 ua0.006liua 又稱為 8205a 的 管壓降，ua 可以簡接表明放電電流的大小。上升到 0.2v 時便認為負載電流到達了 極限值，于是停止第 1 腳的輸出電壓，使第 1 腳電壓變為 0v、8205a 內的放電控制 管關閉，切斷電芯的放電回路，將關斷放電控

50、制管。換言之 dw01 允許輸出的最大 電流是 3.3a，實現了過電流保護。 5. 短路保護控制過程: 短路保護是過電流保護的一種極限形式，其控制過程及原理與過電流保護一樣， 短路只是在相當于在 p p-間加上一個阻值小的電阻(約為 0)使保護板的負載電流 瞬時達到 10a 以上，保護板立即進行過電流保護。 3.7 完整電路的原理圖 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 20 104uf 1 2 3 45 6 7 8 8502a 1 2 34 5 6 dwo1 100 1k b- b+ 10uf 10uf 紅 led 紅 led 0.4 2k 1k1k vcc 4 ce 8 chrg 7 stdby

51、 6 bat 5 temp 1 prog 2 gnd 3 tp4056 vin5v drvc 8 ipk 7 vcc 6 fb 5 swc 1 tc 3 gnd 4 swe 2 mc34063 c2 330pf +c1 100uf +c3 100uf d2 diode d1 diode q1 pss8550c r1 200 r2 0.22 r4 3k l1 68uh r3 1k vout5v k1 圖 3-6電路原理圖 第 4 章理論計算及測試結果分析 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 21 4.1電能收集器在充電時的計算及測試結果: 在圖 3-2 中，芯片 tp4056 的引腳 2 prog

52、所連電阻 r 決定了充電電流 i 的大小，計 算公式如(4-1)： i=1200/r (4-1) 電阻 r 與充電電流 i 的實際測得關系確定可得表 4-1： 4-1 電阻 r 與充電電流 i 實際關系表 r(k)i(ma) 3050 2070 10130 5250 4300 3400 2580 1.66690 1.5780 1.33900 1.21000 課題要求充電電流500ma，所以我選擇電阻 2k，充電電流可達到 580ma。 4.2電能收集器在放電時的計算及測試結果: 在圖 3-4 中，電阻 r3 和 r4 決定了輸出電壓 vout 的大小，計算公式如(4-2)： vout=1.25

53、*(r3+r4)/r3 (4-2) 電阻 r3 和 r4 與輸出電壓 vout 的實際測得關系確定可得表 4-2： 4-1 電阻 r3 和 r4 與輸出電壓 vout 的實際關系表 r3(k)r4(k)vout(v) 123.92 135.04 222.52 233.83 課題要求輸出電壓5v，所以我選擇電阻 r3 為 1k，電阻 r4 為 3k，輸出電壓可達 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 22 到可達到 5.04v，符合要求。 4.3充放電指示介紹: 充電指示燈介紹： 充電時打開開關 k1，紅燈亮綠燈滅；充滿時紅燈滅綠燈亮；無電池時接入 usb 接口紅燈閃綠燈亮；保護電路啟動時紅燈滅綠燈滅

54、。 放電時關閉開關 k1，接入的負載會有電池容量指示標志，這里就不再重復了。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 23 第 5 章結論和展望 本設計是以電源芯片為核心部件的硬件系統，利用芯片功能，最終基本上實現 了各項要求。雖然系統還存在一些不足，比如線路安排不盡合理，放電效率不是很 高等問題，我們嘗試了很多改進的方法，雖然效果不理想，但是，我們還是從中學 到了很多的解決問題的方法。圖-1 就是本次設計的實物圖。 圖 4-1實物圖 經過近幾個月的奮斗，從確定題目，到后來查找資料，理論學習，實物制作和 一些調試，這一切都使我的理論知識和動手能力有了很大的提高。了解了電源芯片 的硬件結構，對電源芯片的

55、工作方式有了很大的認知。同時，對一些設備比如肖特 基二極管等有了一定的了解！學會了對一項工程如何設計：首先，要分析需要設計 的系統要實現什么功能，需要什么器件；然后，針對設計購買相應的硬件，選用硬 件時不僅要選用經濟的，更重要的是如何能更精確更方便的完成系統的要求。最后， 通過各種測試與調試，讓設計更好的完成系統要求。 但因為我的水平有限，此設計中也存在一定的瑕疵。譬如說電池溫度監測系統 并沒有在設計之列。同時如果加入屏幕顯示電池電量裝置，其效果會更加的良好。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 24 電能收集器是現在最為常見的充放電設備，而為鋰電池充放電的電能收集器， 更是成為了當今廠商爭相生產

56、的電子產品。隨著電能收集器開發技術的快速發展及 其在各個領域的廣泛應用，人們對電子產品的小型化和智能化要求越來越高，作為 高新技術之一的電源芯片以其體積小、價格低、可靠性高、適用范圍大等諸多優勢， 在數碼領域得到了廣泛應用。所以，在以后的發展中電能收集器會更加智能化，人 性化，也會融入到其他行業當中。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 25 參考文獻 1 錢聰.電子線路分析與設計 西安：陜西人民出版社，2002 2 江曉安.模擬電子技術 西安：西安電子科技大學出版社，2002 3 蘇麗萍.電子技術基礎 西安：西安電子科技大學出版社，2002 4 李雅軒.模擬電子技術 西安：西安電子科技大學出版社

57、，2000 5 童詩白.模擬電子技術基礎 北京：高等教育出版社，2001 6 談文心.模擬集成電路原理及應用 西安：西安交通大學出版社，1995 7 康華光.電子技術基礎 北京：高等教育出版社，2002 8 戴伏生.基礎電子線路設計與實踐 北京：國防工業出版社，2002 9 李雄杰.模擬電子技術教程 北京：電子工業出版社，2004.9 10 郭維芹.模擬電子技術北京：科學出版社出版，1993.8 11張毅剛.mcs-51 單片機應用設計 哈爾濱：工業大學出版社，1997 12趙修科.開關電源中的磁性元件 遼寧：科學技術出版社，2002.1 13s.maniktala.王志強譯.開關電源的設計與

58、優化 北京：電子工業出版社，2006.12 14marty brown.李志文譯.開關電源設計指南 北京：機械工業出版社，2002.6 15s.maniktala.switching power supplies a to z newens,2006.7 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 26 致謝 經過數月的努力，在老師和同學幫助下，我完成了大學生涯的最后一段歷程- “畢業設計” 。在此，特向所有曾經幫助、鼓勵過我的老師和同學們致以最衷心的感 謝！ 首先,感謝我的指導教師王翠楊老師和張飛雄老師，他們在題目的選擇、方向都 給予我莫大的幫助。 ，兩位老師淵博的學識和嚴謹的科研作風都給我留下了深刻的

59、印 象，這不僅使受益非淺，而且也培養了我嚴肅認真的科研態度和真抓實干的動手能 力。這將對我以后的學習和工作乃至一生產生深遠的影響。 同時還要感謝徐妙老師及在設計中指導過我的老師,謝謝你們對我的幫助。 的確，這次畢業設計是對我動手能力的一次鍛煉，使我受益非淺，我感覺通過 這一段時間的學習，不但實踐能力增強了許多，而且在理論上也有了更深的認識。 這都離不開老師們平時的諄諄教誨和盡心輔導。 一股暖意細水長流，源自內心而又淌遍全身，豈是三言兩語能夠說得清，道得 明的。我恨我無法用準確生動的語言來淋漓盡致地描述自己的真實感受，只好將它 深深地埋在心底，化作一道虔誠的祝福：愿導師合家歡樂，一生平安。同時，

60、也將 祝福送給每一位幫助過我的師長。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 27 附錄 附錄 a外文資料 introduction to dwo1+ general description a,description dw01 + is a li-ion battery protective circuit, to avoid lithium battery for charging, discharge, too much electricity lead to shorten battery life or the battery is damaged and of the design. it