可充电的MP3播放器电源系统设计毕业设计含外文翻译Word文件下载.docx
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(1)查阅资料,了解便携设备电源系统的基本组成情况包括电池、电源管理电路等,写出开题报告;
(2)外文翻译;
(3)研究比较分析各种电池的特点,正确选择MP3播放器的电池类型;
(4)研究设计可充电的MP3播放器电源管理电路(稳压电路、充放电电路等),比较分析各种电路的优缺点;
(5)分析当前可充电电源系统爆炸事故也就是电池爆炸事故的主要原因以及解决措施;
(6)整理编写设计计算说明书;
(7)准备和参加毕业答辩;
4、主要参考资料:
(1)电子工程专辑,
(2)陈英俊,李洁,黄平.人体胃肠道窥视微机电系统设计与研制.中国机械工程,2006,17(9)
(3)陈英俊.人体无线内窥微机电系统设计中若干关键问题.茂名学院学报,2009,19
(1)
(4)栾成强.便携设备中供电电路的综合考虑.ELECTRONICPRODUCTSCHINA,2009,7
指导教师
接受论文任务开始执行日期2013年3月5日
学生签名
摘要
随着便携设备(如:
移动手机、笔记本电脑、MP3、MP4、数码相机等)的高速发展,便携设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
而便携设备都离不开可靠的电源,其性能的提升在很大程度上依赖于电源系统的好坏。
电池是电源系统的核心组成部分,电池的使用方法不正确,会使得电池的寿命缩短和性能降低,有时甚至会发生爆炸,故在可充电MP3的电源系统设计中,我们应当注意电池保护电路的设计(如:
过充电保护电路设计、过放电电路设计、过电流保护电路设计)。
而稳压电路是电源系统的重要部分,如果稳压电路设计不合理,则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等。
关键词:
可充电MP3电源系统电池电池保护电路稳压电路
ABSTRACT
Withportabledevices(suchasmobilephone,laptopcomputers,MP3,MP4,digitalcamera,etc)thehighspeeddevelopment,portableequipmentandpeople'
sworkandlifeisincreasinglycloserelationship.Andportabledevicesareinseparablefromreliablepowersupply,theperformanceoftheascendingdependslargelyonthestandorfallofpowersystem.
Thebatteryisacorecomponentofthepowersystem,theincorrectuseofthebatterywillshortenthebatterylifeandperformance,andsometimesevenanexplosionmayoccur,Therefore,inrechargeableMP3ofthepowersupplysystemdesign,weshouldpayattentiontobatteryprotectioncircuitdesign(suchas:
chargingprotectioncircuitdesign,dischargingcircuitdesign,overcurrentprotectionincircuitdesign).Voltagepowersupplysystemandcircuitistheimportantpart,ifthecircuitdesignunreasonablevoltage,itwillaffectthewholesystemstructure,thecharacteristicsoftheproductcombination,thechoiceofcomponents,softwaredesignandpowerdistributionstructure,etc.
Keywords:
RechargeableMP3Power-supplysystemBattery
BatteryprotectiedcircuitVoltagestabilizercircuit
第一章绪论
1.1便携式设备
以信息电器为代表的嵌入式应用系统真正拉开了嵌入式系统大发展的序幕,它极大的推支了IT产业的发展,给人类的生产、生活带来了深远的影响。
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且以软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能[1]。
便携式设备就是嵌入式系统的的典型应用。
便携式设备就是便于携带的设备。
55年前,Sony因推出全球第一款便携式收音机而开创了便携式半导体产品的先河。
20多年前,便携式产吕的领军代表移动电话和笔记本电脑诞生,虽然它们的庞大体积还难以用便携来形容,但20多0年后的今天,随着半导体技术的飞速发展,这两类产品不便能便携,而且能小到放进口袋中了。
同时便携式家族也添加了许多新的成员。
目前市场上计算机、通信、消费电子、汽车电子、医疗仪器等产品中都有便携式的身影[1]。
在便携式设备这个大家族中,消费类电子产品是推动便携式产品发展的动力。
从微型收音机、walkman、便携式VCD/DVD到今天的MP3/MP4功能的多媒体手机,我们可以看到,消费者的需求一直都在推动便携式产品的发展,而每一个新应用的诞生,则驱动便携式产品发生革命性的变化。
一方面,消费者希望手中所拿的产品越来越小,于是便携式产品一直在朝着轻、薄、小的方向发展。
同时,消费者还希望手中的这个小东西具有尽可能多的功能,在这样的需求下,便携式产品一直在增加新的功能,而且多功能融合的趋势也越来越明显。
举例来说,从最早期纯粹的语音通信到MP3播放、视频录放、百万像素拍照、蓝牙,再到目前流行的双模/多模、GPS定位导航、移动数字电视以及电容性触摸屏输入,如今人们随身携带的小小手机几乎包括了所有小型电子设备的主要功能。
面世才几年的便携式多媒全播放器(PMP),也从音视频向集成移动通信、GPS、MTV、电子游戏等功能的方向发展[1]。
1.2便携式设备的电源系统
1.2.1便携式设备电源系统的组成与工作原理
电源系统主要包括两大部分:
电池管理系统和电压变换电路,如图1-1所示。
电池管理系统由蓄电池组、充电电路、锂电池保护电路、电池容量监控电路组成。
便携电子设备中,常用的电池有镍氢电池和锂离子电池。
采用锂离子电池时,还必须采用锂电池保护电路,以防止锂离子电池组因过充电、过放电、过电流、过热而损坏。
实际应用中,还需要实时掌握电池组的现有容量,因此还必须通过电流取样电阻取出蓄电池组的充放电电流,从而计算充入蓄电池的电量和蓄电池组放出的电量,根据二者之差即可估算电池组的现有容量[2]。
图1-1电源系统的结构框图
便携设备的电源系统的工作原理都是大同小异的,一般的电源系统都是把交流电通过交流供电设备、变压电路、整流电路、稳压电路、滤波电路变成直流电的过程。
其原理下图1-2[2]。
图1-2电源系统的工作原理
1.2.2电源管理技术的发展
开关电源的原理已经应用100多年[1],最早它主要应用于汽油发动机的点火系统,之后应用于电视机高压部分。
但是常见的电子设备最初都是用线性电源供电。
直到20世纪60年代末,开关电源三大主要元件(磁性元件、开关期间和整流器)的发展改变了开关电源仅用于电视机高压部分的局面,开关电源开始广泛应用。
1970年开始,各种类型元件的发展促使开关电源进入快速发展时期,从此在很多领域,开关电源因其比传统线性电源体积小、重量轻逐渐代替了线性电源给电子设备供电。
同时,三端线性调整器也促进了线性稳压电源的发展,使其在某些领域继续运用。
最早出现的开关电源是串联型的[1],其主电路拓扑与线性电源相仿,但是晶体管工作在开关状态。
1975年美国SiliconGeneral公司开发第一款集成PWM控制器,打开了几代开关调节器和开关模式电源发展的大门。
PWM开关电源效率可达65-75%,而线性电源的效率只有30-40%,在发生世界性能危机的年代,用工作频率不20KHz的PWM开关电源代替线性电源,可在幅度节省能源,从而引起人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20KHz革命。
20世纪80年代开始,为了减小体积和重量,PWM开关电源向高频化发展,但是因此会引起更大的开关损耗。
进入90年代,开关电源零电压(ZVS)和零电流(ZCS)软开关脉宽调制技术的发展,使开关电源变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。
PWM模式的DC/DC转换器可以在全负载肉获得较高的转换效率,但是在轻载时损耗相对很大,效率很低,而PFM模式在轻载时有很高的转换效率。
因此在90年代开始,一般商用的DC/DC转换器采用适当的控制策略,使得重载时转换器工作在PWM模式下,轻载时转换器工作在PFM模式下,大大降低系统的功耗,提高系统电源效率。
开关电源技术发展到今天,DC/DC转换器的效率可以达到90%以上,sipex公司的降压型DC/DC的转换效率甚至高达98%。
线性稳压电源的调整管工作在线性放大状态,从调整管的变化可以看出线性电源的发展过程。
从简单的晶体管、NPN达林顿管到PNP管的LDO,线性电压一直在朝着功耗更小,体积更小的方向发展。
线性稳压电源发展到今天,LDO使用MOSFET作为调整管,输入输出压差已经可以小到0.2V,这样转换效率也可以达到90%以上,例如,当锂离子电池的电压是3.5V,用LDO变换到3.3V时,效率为94%。
目前,DC/DC和LDO各自的性能都已经发展到了相当高的水平,但是它们固有的缺点使应用的时侯总是有一些缺憾,于是产生了一种结合开关式DC/DC调节器和LDO的新型电源管理IC,它们具有前者高效率,以及后者的小尺寸和易用性优势。
当今电源管理产吕的发展将围绕节能降耗展开[1]。
电源设计周期加快、低待机功耗、高能效以及减小占位面积的要求正在改变传统的电源设计方法。
其发展将主要呈现五大特点:
(1)电源寿命和效率最大化;
(2)体积和成本最小化;
(3)电压提供多样化;
(4)设计时间最短化;
(5)数字电源和模拟电源相结合。
1.2.3便携式设备电源系统设计要求
便携产品电源系统设计需要系统级思维,在开发由电池供电的设备时,诸如手机MP3、MP4、PMP、DSC等低耗产品,如果电源系统设计不合理,则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计以及功率分配架构等。
同样,在系统设计中,也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。
例如,现在便携产品的处理器一般都设有几种不同的工作状态,通过一系列不同的节能模式(空闲、睡眠、深度睡眠等)可减少对电池容量的消耗。
当用户的系统不需要最大处理能力时,处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。
从便携式产品电源管理的发展趋势来看,在便携设备的电源系统设计中,需要考虑以下几个问题[2]:
1.电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑;
2.便携产品日趋小巧轻薄化,必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题;
3.选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗,突破散热瓶颈,延长电池寿命;
4.选用具有新技术的新型电源芯片进行方案设计,这是保证产品先进性的基本条件,也是便携产品电源管理的永恒追求。
便携产品常用电源管理芯片包括:
低压差稳压器(LDO)、非常低压差稳压器(VLDO)、基于电感器储能的DC/DC转换器(降压电路Buck、升压电路Boost、降压-升压变换器)、基于电容器储能的电荷泵、电池充电管理芯片、锂电池保护IC。
在选用电源管理芯片时应注意:
1.3可充电的MP3播放器电源系统设计的设计目的和意义
通过对可充电的MP3播放器电源系统设计的研究,可以让我们对便携式设备的电源系统有一个初步的认识及其基本的设计方法。
在设计的过程中,首先通过查阅有关资料了解电源系统的基本组成。
然后比较各种电池的优缺点及各种稳压电路的优缺点,为本设计做好准备。
同时,我们还要注意电池爆炸事故的主要原因以及解决措施。
因此,在设计过程中不仅能让我们学习到了电源系统的设计方法,还锻炼了我们分析问题、解决问题的能力。
第二章分析比较便携设备的电池
2.1电池概述
2.1.1电池的定义及发展历史
电池是利用物质变化所释放出来的能量直接转变成电能的装置。
化学变化产生的能量转换成电能的装置为化学电源;
物理变化产生的能量转换成电能的装置为物理电源。
化学电源比物理更为得到广泛应用和常见,人们一般将化学电源就通俗地称作电池,本设计所用的电池是化学电池所以只讨论化学电源[3]。
人类研究与使用电池的时间至今有200多年,有关电池的一些重要事件如下所示。
1800年Volta发明Zn/稀硫酸/Cu电堆,是科技史上最早出现的电池,人类第一次可以获得持续电流,大大加快了电学及电化学等学科的发展。
电磁效应、钾、钠、钙、镁、锶、电动机、发电机、电解、电镀、电弧灯等都是直接应用电池为电源而发现或发明的。
1802年Davy以碳为燃料,氧为氧化剂,硝酸为电解质进行碳氧电池实验,指出了制造燃料电池的可能性。
1836年Daniel对Volat电池改良为Zn/稀硫酸锌溶液/硫酸铜溶液/CU,在正负极之间使用多孔隔板并改变电解质,最早获得能长时间工作的实用电池。
1839年Grove发明H2(Pt)/硫酸溶液/O2(Pt)电池,这是人类史上第一个燃料电池。
1859年Plante改进Sinsteden在1854年进行的两铅板浸入稀硫酸中可以二次放电的实验发明了实用化铅酸蓄电池。
1868年Leclanche巧妙采用Zaniboni和Jacobi的提案,以Zn为负极,MnO2为正极,NH4Cl溶液为电解质拌以细砂或木屑做成糊状,制出实用化锌锰干电池,此电池与当今的普通锌锰干电池结构相同。
1882年碱性锌锰电池研制成功,是性能最好的锌锰电池类别,并于20世纪50年代中期得到商品化生产。
1887年Duna和Hslacher发明以锌为负极,NI(OH)2为正极是碱性锌镍蓄电池。
1889年Mond和Langer首次提出“燃烧电池(fuelcell)”名称,并采用浸有电解质的多孔材料为隔膜,以铂黑为民催化剂,以钻孔铂或金片为电流收集器组装出氢养燃料电池,此电池结构已接近现代燃料电池。
1901年Edsison发明碱性电解质Fe-Ni蓄电池,电池的负极材料为Fe粉,正极材料为Ni(OH)2。
1902年Jungner发明碱性电解质Cd-Ni蓄电池,电池负极材料为Cdo,正极材料为Ni(OH)2。
在蓄电池中,Cd-Ni电池生产量曾长期只次于铅酸电池。
1955年通用电气公司Grubb第一个提出用离子交换膜作为电解质的想法并与Niedrach首次开发出聚合物膜燃料电池。
1958年美国加州大学研究生Harris提出有机电解液锂电池设想,引发了高能锂电池的研究。
1959年Bacon开发了多孔镍电极并制备了KW级碱性燃料电池系统,这是第一个实用性燃料电池,奠定了现代燃料电池技术思想。
1971年松下电器公司的福田雅太朗发明氟化碳一次电池,电池开始脱离预研阶段走向商品化与实用化。
1984年Willems采用Co和Si部分替化LaNi5中的Ni,解决了贮合金粉化和氧化腐蚀问题,实现了利用贮氢合金为负极材料制造MH-Ni电池的可能。
1990年日本实现MH-Ni电池产业化生产,MH-Ni电池可以取代Cd-Ni电池使用,比容量比Cd-Ni电池高且无Cd毒害,是新一代的绿色高能蓄电池。
1991年日本索尼公司成功开发与生产以碳材料为负极和LiCoO2为正极的有机电解质锂离子蓄电池。
锂离子电池是目前综合性能最好的蓄电池,商品化后就逐渐取代Cd-Ni电池和MH-Ni电池。
1992年聚合物锂离子蓄电池实现工业化生产。
电池的发展不仅受其自身及相关科学技术进步的影响,更是受社会发展外在需要推动。
社会的强劲需要给电池及其材料的生产与研究提供了广阔的空间和美好的前景;
新电池及其材料的发明和应用也不断改变人类生活。
2.1.2电池的分类
电池的分类有不用的分类方法,按其分类方法大体上可分为四大类[4]。
第一类:
按电解质种类划分,包括:
1 碱性电池,电解质主要以氢氧化钾溶液为主的电池,如:
碱性锌锰电池(俗称碱锰电池或碱性电池)、镉镍电池,镍氢电池等;
2 酸性电池,主要以硫酸水溶液为介质,如铅酸蓄电池;
3 中性电池,以盐溶液为介质,如锌锰干电池、海水电池等;
4 有机电解液电池,主要以有机溶液为介质的电池,如锂电池、锂离子电池等。
第二类:
按工作性质和贮存方式划分,包括:
1 原电池,又称为一次电池,即不能再充电的电池,如锌锰干电池,锂原电池等;
2 蓄电池,又称为二次电池,即可充电电池,如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、镉镍电池等;
3 燃料电池,即活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池,如氢氧燃料电池等;
4 贮备电池,即电池贮存时不直接接触电解液,直到电池使用时,才加入电解液,如镁化银电池,又称海水电池等。
第三类:
按电池所用正、负极材料划分,包括:
1 锌系列电池,如锌锰电池、锌银电池等;
2 镍系列电池,如镉镍电池、氢镍电池等;
3 铅系列电池,如铅酸电池等;
4 锂系列电池,如锂离子电池、锂锰电池等;
5 二氧化锰系列电池,如锌锰电池、碱锰电池等;
6 空气(氧气)系列电池,如锌空电池等。
第四类:
按活性物质的保存方式分类,包括:
1 活性物质保持在电极上分为非再生型一次电池和再生型二次电池(蓄电池);
2 活性物质连续地供给电极,分为非再生型燃料电池和再生型燃料电池。
2.1.3电池的工作原理
不管是一次电源,还是二次电源,其放电过程都是将化学能转变为电能,这一过程为自发过程。
一次电池的反应是不可逆的,而二次电池的电极反应是可逆的。
对于二次化学电源,充电过程是将电能转变为化学能,这—过程是非自发过程。
虽然与能量转换有关的某些热效应是不可避免的,但是电化学过程则是直接的,不受年诺热机效率的限制。
如在中高温燃料电池中,若实现热电联供,理论上能量转化效率可以接近100%,仑的体系甚至大于loo%,这是因为电效率对应于化学反应的自由能,而热效率对应于化学反应的热效应,能量转化效率是电效率和热效率之和[5]。
电池使用过程电池放电过程,电池放电时在负极上进行氧化反应,向外提供电子,在正极上进行还原反应,从外电路接受电子,电流经外电路而从正极流向负极,电解质是离子导体,离子在电池内部的正负极之间的定向移动而导电,阳离子流向正极,阴离子流向负极。
电池放电的负极为阳极,放电的正极为阴极,在阳极两类导体界面上发生氧化反应,在阴极的两类导体界面上发生还原反应。
整个电池形成了一个由外电路的电子体系和电解质液的离子体系构成的完整放电体系,从而产生电能供电。
下面以锌锰干电池为例,来说明电池的工作原理。
图2-1锌锰电池工作示意图
图2-1是锌锰电池工作示意图[4],正极活性物质二氧化锰与负极活性物质锌在空间上是分隔开的,当二者都与氯化铵和氯化锌的水溶液相接触,电解液含有带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子,是一种例子导体,但并不具有电子导电性。
锌锰电池反应,正极为阴极,锰由四价还原为三价,发生了还原反应:
2MnO2+2H2O+2e→2MnO(OH)+2OH-
负极为阳极,锌氧化为二价锌离子,发生了氧化反应:
Zn+2NH4Cl→Zn(NH3)2Cl2+2H++2e
总的电池反应为:
2MnO2+Zn+2NH4Cl→2MnO(OH)+Zn(NH3)2Cl2
当锌电极与溶液接触时,金属锌上的锌离子将自发的转入到溶液中,发生锌的氧化反应。
锌电极上的锌离子转入溶液之后,将电子留在金属上,结果锌电极表面带有负电荷,它将以库伦力吸引溶液中的正电荷,使之停留在电极表面附近,因而在两相间出现了电位差,这个电位差阻滞锌离子继续转入溶液,同时使锌离子进入溶液的速度逐渐减小,溶液中锌离子返回电极的速度不断增大,最后建立起两个过程速度相等的动态平衡,这时在两相间形成了锌电极上带有负电荷而溶液一侧带有正电荷的离子双层。
二氧化锰电极中存在着相似的情况,只是电极在带正电荷而形成的双层溶液一侧的离子是负离子[4]。
有些电池的反应(如锂电池),是以(嵌入—脱嵌)方式进行的。
锂电池的负极一般是金属锂或含锂物质,正极主要由活性物质和集电极组成。
电池在充电时,锂离子从正极活性物质中脱出进入电介质中,通过电解质嵌入到负极活性材料中;
相反,放电时,锂离子从负极活性材料中脱出进入电解质中,通过电解质嵌入到正极活性材料中。
例如,金属锂/二硫化钛电池放电时,发生的反应可表示[5]:
锂离子电池充放电的反应为:
正极反应
负极反应
总反应
发生还原反应的一极为阴极,即负极,而发生氧化反应的一极为阳极,即正极。
为了便于理解和记忆,归纳于表2-1中。
表2-1化学电源充放电过程电极极性
电极
放电过程
充电过程
正极
发生氧化反应,阳极
发生氧化反应,阴极
负极
2.1.4各类电池的特点
2.1.4.1原电池组
2.1.4.1.1锰锌电池
锰锌电池是我们常见的干电池,价格最便宜,但性能较差。
此种电池使用在大电流连续放电时的安培小时值低于小电流间歇放电的安培小时值,所以一般使用在小电流、间歇放电情况。
使用时温度范围应在-10℃至+45℃以内。
2.1.4.1.2碱性电池
碱性电池与锰锌电池不同的是电解质采用氢氧化钾。
因此性能要好得多,价格也贵些,约为前者的四倍。
它的放电特性曲线平坦,连续
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