移动电源设计：安全充电与多电压输出的实现

移动电源设计：安全充电与多电压输出的实现

电路设计实例说明

目前移动电源采用锂聚合物电池或者锂离子电池作为核心储能部件。对于充电电池，规范中有安全充电截止电压和安全放电截止电压，以及标定的额定最大工作电流。移动电源的设计首先要对聚合物电池进行安全充电，因为电池成本比较高，而为了保证系统安全可靠的工作，需要有充电管理系统。当需要给便携设备充电时，聚合物电池向外放电，而由于便携设备一般输入电压为5V，所以有系统对5V进行升压。有些设备可能有9V或者12V等其它输入电压，可以通过修改X44移动电源的配置参数来实现。最简单的移动电源基本结构如图所示：

零售市场上常见的移动电源还会加入电量指示电路，以准确指示电池芯的剩余电量。

X44移动电源本质上就是一个可以对外放电的电池，但是设计成输出精准5V，由输入充电控制电路、输出DC/DC转换电路、电池电量检测及显示电路、充电指示电路、电池保护及智能管理电路等组成，见下图：

下图是X44电路板的详细描述。

各电路功能详细描述如下：

1、充电控制电路：利用5V输入，如电脑USB、充电器等5V电压源，对移动电源内的电池进行充电。X44移动电源输入充电电流的设计指标为1A。当电池电压小于3V时，充电电路会按照100mA的电流对电池进行充电，专业上称之为涓流充电。涓流充电的好处在于可以可靠地恢复过放的电池，而不会因为大电流充电而导致电池损坏报废。当电池电压大于3V时，X44充电电路会采用1A大电流恒流对电池进行充电。这段时间的充电速度最快，当电池电压充到4.20V左右时，充电电路维持4.2V恒压充电，当充电电流降至100mA左右时，充电停止，充电完成，断开充电电路。 这就是常说的：涓流充电、恒流充电、恒压充电三段式充电管理方案。更先进的电路还有脉冲充电方案和5段式充电方案。这些更先进的充电技术分别在D66移动电源方案和D112移动电源方案中实现。后面我会详细介绍这些技术。充电电流越大，充电时间越短，但是发热也会很厉害。所以不是越高越好，一般1A就可以满足大部分客户的需求。如果用电脑的USB，请注意有的USB口输出能力只有500mA，可能会导致充电速度过慢。

2、升压5V电路：当X44移动电源连接手机后，按下按键开关，升压电路开始工作，DC/DC升压电路将电芯2.7-4.2V电压转换为需要的5V，为手机等目标设备充电，手机会自行控制充电电流，X44在判断手机充满电后，经过一段时间后会自动断电，这就是本公司的智能停电充电技术。目前移动电源的输出形式主要有1个USB口（U2/M2/X44/X54等项目）和2个USB口（D66/D112等项目），额定输出电流有1A和2A两种，输出电流越大，移动电源的输出能力越强，越能满足手机的充电需求。 如果你的手机是1A充电的，那么请使用输出能力500mA的移动电源来给手机充电，这样充电时间会加倍。注意：手机输入充电电流由手机控制，移动电源实际输出电流不会超过手机额定充电电流。2A输出能力的移动电源，在额定输入1A的情况下，充电电流为1A。普通手机额定充电电流为0.5A-1A，HTC智能手机部分型号为1.5A，手机为1A，iPad为2.1A。X44移动电源输出电流为2A，充电和IPAD都能实现极速快速充电。

3、电池电量显示电路：此电路由单片机实现，作用是显示当前移动电源的剩余电量，方便用户使用和及时充电。X44具有四档电量指示，绿灯亮、橙灯亮、红灯闪烁，分别对应电量：100%-70%-40%-10%。当没有负载，或者当手机等设备充满电后，会智能判断一段时间后自动关闭输出。

手动关机功能：工作状态下，LED橙色闪烁，3秒内连续按两次按键，进入休眠模式，彻底关闭输出，电路进入超低功耗。X44休眠功耗由一般产品的50uA-100uA降低到3-8uA，比市场低10倍以上。X44移动电源休眠后，放置1年以上仍可充满电。

4、LED照明电路：本电路采用单片机控制，长按3秒开启高亮度LED照明功能，充满电可连续工作300小时以上，再长按3秒关闭。

5、电池保护电路：该功能由单片机控制，当电池放电时出现过流、放电时出现低压、充电时出现高压时，电池保护电路会切断电池与外界的连接，保护电池。移动电源采用锂电池，不能过充过放，否则会产生过多的热量，有爆炸的危险。如果放电电压过低或者充电电压过高，电池芯会发热损坏，从而发生爆炸、燃烧等危险情况。X44移动电源已经提供了这些安全保护功能。

6、锂电池：移动电源锂电池大部分都是并联的，目前大部分移动电源都是采用性价比较高的18650标准尺寸锂电池，目前全球量产能力最高的18650锂电池有三星、LG、三洋（2012年被松下合并）三家，单颗就可以搞定；而一般都是采用国产的，X44移动电源标配采用两颗国产A级电芯，可以DIY使用松下电芯，将容量发挥到最大。

智能手机的功能越来越强大，耗电量也越来越大，比如有些手机电池无法更换，一旦出现电量不足的情况，就只能靠移动电源（又称充电宝或者外置电池等）来拯救。因此，现在的移动电源市场一片繁荣。很多消费者在选择移动电源的时候，只注重外观、容量、价格，往往很难了解移动电源的内部情况。今天我们就来给大家介绍一下移动电源，就从电源的电芯说起。

移动电源内部结构

首先我们来简单了解一下移动电源的组成：

1、外壳，主要用于产品的包装，同时起到美观和保护的作用，常用材质有塑料和金属。一些比较好的产品往往采用防火材质的塑料；

2、电芯，也就是我们常见的电池，是移动电源的电力储存仓；

3、电路板主要用于实现电压、电流的控制，输入输出的控制以及其它各种功能。

电芯是移动电源中最贵的一个部件，最常见的就是18650电芯，还有一种就是聚合物电芯，这两种电芯占据了锂电池行业绝大部分的市场。

18650 电池

18650锂离子电池

18650是行业内叫法，指的是直径为18mm，长度为65mm的圆柱形电池。三洋、松下、三星、索尼等国际巨头均有此业务，国内也有不少生产、销售18650电池的厂家。市面上见到的移动电源大部分都是采用18650电池，而且为了在成本上竞争，基本都采用国产产品，很少采用进口巨头的18650电池。

采用18650电芯的移动电源

18650的容量一般是最常见的，据悉目前18650能达到的单电芯容量最大，使用18650电芯的移动电源基本都是通过以上规格并联实现的。18650一般采用圆柱形钢壳封装，里面的锂离子是液态的，因为已经是行业标准规格，所以18650只能是圆柱形，如果在购买移动电源时看到又粗又大的造型，基本可以确定它采用的是18650电芯。

18650电池电芯质量事故（图片来自网络）

说到安全，电池是能量体，极端情况下可能会引发严重质量事故，18650电池采用钢壳包装，严重情况下可能会爆炸，我们熟悉的笔记本电池也是采用18650电池，早年索尼就曾因电池发生严重质量事故而批量召回。

目前市面上很多移动电源为了降低成本，争相低价，采用劣质18650电芯，让人防不胜防。移动电源是用户随身携带的产品，如果质量不过关，就如同随身携带一颗定时炸弹。因此，在购买产品时，要综合考虑产品的品牌和价格，不要一味追求最便宜。

聚合物电池

锂聚合物电池

锂聚合物电池一般有钴酸锂、锰酸锂、三元锂等，外包装以铝塑膜为主，中间的锂材料是糊状，所以形状可以定制，比如0.25mm的超薄电池。所以使用聚合物电池的移动电源在外观设计上也可以更加灵活，比如市面上的一些超薄移动电源、手机背夹电池都是采用聚合物电池。

超薄聚合物移动电源

聚合物电池的封装比较灵活，不像18650有固定的规格尺寸，其容量直接取决于体积和所用的原材料。

手机电池质量事件

聚合物电池最大的安全隐患就是漏液、短路、鼓包，最严重的情况就是燃烧。相比于18650，聚合物电池相对来说更安全。不过燃烧也会带来安全隐患，所以建议移动电源用户尽量不要将其放置在易燃环境中。目前，大部分高端移动电源都采用的是聚合物电池。

几种电池的循环时间

用户在购买移动电源时，通常会关注产品的安全问题，而电芯的质量是移动电源品质的核心，代表着产品的整体安全性。目前，市场上主流的电芯有以下几种：钴酸锂电池电芯、镍钴锰电池电芯和磷酸铁锂电池电芯。

大多数圆柱形锂电池都是锂离子电池

钴酸锂电池也就是常见的18650电芯，外形类似5号电池的放大版，标准电压3.7V。优点是技术成熟，成本低，体积小，容量大，广泛应用于笔记本电脑电池。缺点是循环次数低，大概300次左右，安全性能比较差，不适合高倍率充放电，采用钢壳。不合格的电芯可能会爆炸，丢弃后会污染环境。

聚合物电池

镍钴锰电池芯就是我们通常所说的聚合物电池芯，使用寿命长，可达500次以上，应用广泛，安全系数高，不易爆炸。但是可能会燃烧，所以使用时不宜放在易燃环境中。缺点是大电流充放电能力弱，价格比18650电池稍贵，废弃后也会污染环境。

磷酸铁锂电池内部结构

磷酸铁锂电池工作原理

磷酸铁锂电池是近年来新兴的电池材料，被誉为“铁”电池，是目前市面上最安全的产品，即使电池被刺穿也不会爆炸。电池循环寿命是其他产品的4倍以上，可达200​​0次，安全无污染，目前广泛应用于电动车、小型储能电池、草坪灯、电动工具等，唯一的缺点就是价格比较高。

移动电源电路

移动电源内置的锂电池不支持对一般手机、PSP等数码产品直接充电，需要经过特殊电路通过电压变换实现稳压，才能支持特殊产品的充电。目前最常见的移动电源都支持5V左右的电压输出，因为一般手机、PSP等数码产品及设备都是5V充电的。

移动电源内置电路一般由四个功能组成：

第一：保护

锂电池作为现阶段移动电源理想的储能电池，相比其他电池有很多优势，比如能量密度高、重量轻等。但是也有缺点，其中最大的缺点就是容易过充或者过放。如果锂电池的电压放电到2.7V以下，那么电池就属于过放。同样，如果锂电池在充电过程中，充电到4.2V以上，也是属于过充。锂电池的过充和过放会对锂离子电池的正负极造成永久性的损坏。从分子层面上可以直观的理解，过放电会导致负极碳中锂离子的释放量过大，导致其层状结构坍塌，而过充又会迫使过多的锂离子进入负极碳结构，使得部分锂离子不再释放。这也是为什么锂离子电池通常都配有充放电控制电路的原因。

第二：电源指示灯

一般人们随身携带移动电源，是为了在手机、PSP等数码产品没电的时候临时使用，或者在旅行的时候作为备用电源。因此，你必须时刻了解你的移动电源还剩多少电量。目前，一般移动电源的电量指标大致是通过采集电压来判断移动电源的剩余电量。了解锂电池的人都知道，锂电池在放电过程中，电压会从最高的4.2V（即充满电）慢慢下降到最低的2.7V（即没电），当达到2.7V的时候，保护电路就会工作，切断电流。

第三：充电

一般锂电池充电都是采用专门的充电IC，先恒压，再恒流，最后涓流充电。但是有些移动电源厂家为了节省成本，并不采用锂电池专用的充电IC，而是直接用保护板来实现这个功能。保护板虽然可以避免过充（因为电池到4.2V的时候保护板也会工作切断电流），但是对电流的寿命影响很大，同时也是不安全的，因为一般的锂电池充电IC不仅集成了充电保护功能，还集成了温度监控，如果温度过高就会对电池进行保护。这样在充电的时候对电池就起到了比较双重的保护作用，首先充电IC到4.2V左右的时候就会切断电流，同时保护IC也会工作。当然在极端情况下，如果充电IC或者保护IC坏了，那么这样的双重保护措施就很重要了。

第四：提升

因为移动电源需要给5V的手机、PSP等数码产品充电，所以内置的锂电池必须经过升压电路稳压才可以支持给手机、PSP等数码产品充电。但是升压会涉及到一个效率问题，比如升压效率70%的锂电池，相当于容量只有的电池。当然升压板效率越高越好，集成的升压电路一般能做到85%，已经很高了。因为还要集成保护板、指示灯等，效率肯定会下降，毕竟现在超导体还没发明出来，电流通过导线就算了，别说IC了，都会有功率损耗，但是太低肯定不行。当然移动电源给手机、PSP等数码产品充电，对电流是有一定的要求的。 一般是够用的，因为现在很多智能手机、PSP等都支持电脑USB直充，而电脑USB口开到最大输出电流就可以正常充电，所以一般移动电源的升压电路部分达到的电流是绝对够用的，另外可以同时给一拖三或者一拖四充电。

体积小，功能大

相对于庞大的电芯，电路板在移动电源的零部件中只能算是“小身材”的附件，但千万不能小瞧它（图9）。就好比同一款发动机搭载在奔驰和奇瑞车型上，但实际驾驶表现肯定是奔驰比奇瑞好。这都是车内负责电力分配和转换的控制系统的功劳，而移动电源的电路板就扮演了这个角色。

简单来说，不管是18650电池还是锂聚合物电池，都有一个安全充电截止电压和安全放电截止电压，以及标定的最大额定工作电流。电路板的基本作用是为电池提供安全可靠的充电管理系统；给手机充电时（此时电池处于放电状态），将电池升压到5V升压系统。目前市面上大部分移动电源的电路板都是由输入充电控制电路、输出DC/DC转换电路、电池电量检测及显示电路、充电指示电路以及电池保护及智能管理电路等组成。

接下来我们以航嘉为例来了解一下移动电源的基本工作过程：

电池充电时

当你给移动电源充电时，输入充电控制电路开始工作，它的主要工作就是根据电池电压的变化来控制充电电流，是一种多阶段充电方案。例如：

当电池电压低于3V时，充电电路会进行涓流充电，即以100mA的电流对电芯进行充电（保护电池过放电）；

当电池电压大于3V时，充电电路将转为恒流充电，以1A大电流（移动电源的最大输入电流）对电芯进行充电；

当电池电压≈4.2V时，充电电路转为恒压充电，当充电电流降至100mA左右时停止充电。

当电池放电时

锂电池的平均电压在3.7V左右，而手机、iPad等移动设备的充电电压都是以5V为标准，因此当移动电源连接其他设备时，就会触发输出DC/DC转换电路启动，将电芯浮置电压3.0V~4.2V之间转换为5V给这些设备充电。

移动电源的输出电流越大，其兼容性和通用性就越强。比如有些手机的额定充电电流是1A，但移动电源的最大输出电流只有500mA，这样会延长一倍的充电时间。航嘉的输出电流可以达到2.1A，也就是说可以给iPad等平板电脑快速充电。需要注意的是，手机在充电时会对输入的充电电流进行控制，比如手机的额定充电电流是1A，你用2.1A的输出容量给它充电，实际充电电流只有1A。

电池内部保护电路分析

本文主要介绍手机电池的保护电路，我们在使用电池的时候总会犯下各种错误，手机电池的电芯其实是比较脆弱的，所以完善的保护措施对于一块合格的手机电池来说是必不可少的。以下是正文：

1. 镍氢电池的保护

手机镍氢电池的保护装置很简单，就是图中两个电芯中间那个扁平的带状的东西，叫自恢复保险丝，又称PTC，是正温度系数热敏电阻的简称。在电路中它串联在电源电路中，一旦出现大电流（比如短路），由于PTC效应，它自身的阻值就会迅速增大，起到断路的作用。

1.1. PTC 简介

PTC正温度系数热敏电阻又称为聚合物自恢复保险丝（保险丝）。聚合物自恢复保险丝由聚合物基体和使其具有导电性的炭黑颗粒组成。由于聚合物自恢复保险丝是导体，电流会通过它。当过电流通过聚合物自恢复保险丝时，产生的热量（I2R）会使其膨胀。结果，炭黑颗粒会分离，聚合物自恢复保险丝的电阻会增大。这将导致聚合物自恢复保险丝更快地产生热量并膨胀得更多，从而进一步增加电阻。当温度达到125°C时，电阻会明显变化，从而明显降低电流。此时，流过聚合物自恢复保险丝的小电流足以使其保持在此温度和高阻状态。当故障清除后，聚合物自恢复保险丝收缩至其原始形状并重新连接炭黑颗粒，从而将电阻降低到具有指定保持电流的水平。上述过程可以重复多次。 图例说明了PTC的保护原理，如下图所示：

冷态PTC电阻值只有几十毫欧姆，而热态电阻值可达几百千欧姆。

2.锂离子电池保护电路

本文主要用插图来说明

上图是典型的锂离子保护电路原理图，B+、B-代表典型的正极和负极，而P+、P-则代表成品手机电池的正极和负极输出（见上图）。

2.1. 锂离子保护电路的保护参数

此外，复杂而先进的锂离子电池（例如智能锂离子电池）还可能包括温度保护、电量计、实时时钟和电子范围识别码。

2.2. 锂离子电池保护原理详解

① 过充保护

当充电电压超过保护值时，保护电路被触发，开关Q1被关断。

②过放电保护

当负载导致电池电压跌至保护电压以下时，保护电路被触发，Q1被关闭。

③短路保护

短路保护电路有两种，一种是触发后短路故障消除，Q1自动导通；另一种是触发后不会自动恢复，需要外部强制充电后才能解除Q1，目前市场上这两种保护电路并存。

2.3. 其他电池引脚定义及说明

在很多手机中，电池输出端除了正极和负极之外，通常还会有一个或多个其他的输出端，典型的例子就是图中所示的两种，NTC电阻和ID电阻。

①ID电阻的原理

简单来说，手机就是通过读取此引脚上电阻的阻值来学习电池类型的（根据阻值的不同区分镍氢电池与锂离子电池、大容量电池与普通容量电池）

②NTC电阻

NTC电阻和前面的PTC电阻正好相反，NTC是负温度系数热敏电阻的缩写。

简单来说，手机通过读取电阻的阻值来获取电池温度，并进行相应的保护动作。比如在0~45度以外的环境下，手机将不会充电，在-20~60度范围以外，手机将强制关机，以保护在非电池耐受环境下的危险操作。

③NTC原理

NTC电阻的阻值与温度的对应关系如上图所示，从图中可以看出阻值与温度有非常明确的对应关系，该电阻还可以用于一些电路的负温度补偿。