轻松解决充电宝因过载使用而导致的过热问题

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轻松解决充电宝因过载使用而导致的过热问题

9 T; N. Q  Q, {& C充电宝 在给移动设备充电的过程中如果发生过热的问题，很容易导致起火爆炸等安全问题。我们经常能从媒体上看到此类事故的发生。因此充电宝的设计者们通常会加入过流保护电路，过热保护电路来增加产品的可靠性。充电宝行业竞争激烈，成本压力很大，因此这些额外增加的线路越简单可靠， 产品越有竞争力。
3 t5 }' d. |$ y- `2 I- X! STI的参考设计就是针对这一客户需求而设计的。这个参考设计的输入电压为2.7-4.4V, 输出能力为18W （5V/3A, 9V/2A 及12V/1.5A）。当升压变换器 的输出电流大于设定值，输出电压就会下降， 有效地限制了输出功率和输出电流， 从而避免了充电宝 因过载使用而导致的过热问题。下面我们来看一下具体的电路设计。
TI参考设计的系统框图
7 j: ~1 }/ r6 q7 A* d+ i' D) n& P图1是TI参考设计的系统框图。采样 电阻RS将输出电流转化为一个电压信号VSENSE。运算放大器A1将VSENSE放大成VAMP1接到运算放大器A2的输入端。VFB是 FB 脚的参考电压，VFB为1.204V。当输出电流小于限流点时，当VAMP1低于1.204V，二极管D不导通，电阻RADJ悬空， FB脚的电压仅由输出电压决定。当输出电流高于限流点时，当VAMP1高于1.204V，二极管D导通，VAMP2直接跟随VAMP1的电压， FB 脚的电压上升，输出电压下降。如果输出电流进一步上升， 输出电压将进一步下降。输出电压的下降幅度由RADJ的阻值决定。RADJ的阻值越小，输出电压的下降幅度就越大。
& j) T, n. [9 U6 Q' d. Q

图1. 的结构框图

TI参考设计的设计指标
) X, j4 ]8 r. l5 A: Z表1给出了的设计指标，限流点的值设置在比正常输出高5%。 一旦输出电流高于限流点，输出电压马上下降，从而限制了最大输出功率，有效防止了充电宝因过载使用而导致的过热问题。

表 1.  设计指标

" z4 k: b% T5 ?2 `3 l- A8 y

Input Voltage 9 Q  n0 I% J/ N  o	Output Voltage/Output Current	Output Current Limit Point
3V- 4.2V	9V/2A	Io ≥ 2.1A ' w9 N, @7 {9 k8 c" ^; w# E
	5V/3A	Io ≥ 3.15A
	12V/1.5A 6 o3 d! P( ~- [1 ^	Io ≥ 1.575A

: m" a/ U# i! ?# p+ S% YTI参考设计的参数计算
% a; z/ S  |# i# K, {5 Z# N0 A图2 给出了限流电路的示意图。该限流电路里面两个最关键的参数是运算放大器A1放大倍数的选择和调节电阻RADJ参数的选择。
以输出Vo=9V，Io=2A为例，限流点设置在2.1A。采样电阻为25m ohm，因此当输出电流达到限流点时，采样电阻两端的电压VSENSE为：
$ I* F: I, `! D9 Y2 [

                                       （1）

% F% A# F7 X% |! d1 \. h此时要使得限流电路起作用，运算放大器A1的输出必须达到 FB 脚的参考电压值1.204V。因此我们可以得到下面的等式：

                                                  （2）

由此我们可以得到A1的放大倍数为：
' s3 m; y  _" z' }  k

                 （3）

+ d( X: ~5 I3 Y" E  u因此可以将R17设为232k ohm，将R16设为10.5k ohm。

图2. 限流电路

当VAMP1高于1.204V时，二极管D导通，VAMP2直接跟随VAMP1的电压。因此可以推出如下的关系式：

                                                                      （4）

                          （5）

由上述公式（5）可以推出RADJ的表达式为：
6 v7 [+ \& R, c, p/ d5 ?1 g

                      （6）

其中：
' Z( H5 ^& L$ {3 p

, R3 R4 J, z% s% q5 {5 E3 l0 S如果希望将输出功率限制在一个更小的值，比如说当输出电流达到3A时，输出电压为5.5V，则可以取RADJ=121K。
TI参考设计的测试结果
' v% i. O) H& N# G/ d图3给出了输出电流分别是2A和3A时 的启动波形。当输出电流为2A时，升压变换器的输出电压在启动完毕后为正常输出9V。当输出电流为3A时， 由于该负载电流超过了2.1A限流点，因此升压变换器在启动完毕后直接进入限流状态，输出电压只有6.2V。
图4给出了输出电流由2A突然增加到3A时 的动态波形。我们可以看到输出电压在50us之内从9V下降到了6.2V，迅速将最大输出功率限制在一个范围内，从而有效地防止了充电宝在使用过程中由于过载而导致的过热问题。
) ]6 s- Z/ n3 H' V0 b0 M3 [) Y
' Q! p' q% O: }

) q: F" S6 I  h0 D. o% v) p0 W

图 3. 输出电流为2A和3A时的启动波形（VO=9V）

             图 4. 输出电流从2A突然上升到3A时 的动态限流波形

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学到老活到老