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　　刘桄序，刘光乾（四川科技职业学院鼎利学院，成都 611745）

　　摘 要：许多玩具都采用的“可充电”功能，为带“电”玩具充电电源管理系统的设计工程师们带来了难题。

　　本文以典型的恒流充电电源设计、恒压充电电源设计及恒流恒压充电电源设计三种进行分析，并结合当前最为主流的新型电源管理芯片为应用，给出较为合理的三类电路的电源管理系统设计。

　　关键词：玩具充电；电容充电；电源管理；电源设计

　　0 额定电压是值考虑

　　玩具一般采用电压为5 V左右的电源供电电路。由于常见的电池规格有两种，一种是碱性性电池，电池单元电源电压为1.5 V，即此类规格的电路设计为1.5 V的倍数，如3 V、4.5 V、6 V、9 V等。还有一类就是以充电电池单元为设计的电源电路，即以1.2 V为单元电池供电电路设计，常见的为3.6 V、4.8 V、6 V等。而超级电容的单元电压，根据不同的材质不同，在1~3 V之间均有，而常见的超级充电电容电压为：2.5 V、2.7 V等，这样，在电容电路中，如要直接替换原碱性电池或镍氢、锂离子充电电池，则需要计算电容的电压和其组合形式。

　　1 充电最大值考虑

　　在选用电容作为储能元件时，不能按照常规的充电最大电压进行设置，而只能按照标称电压进行设计。如锂电池的标称电压为3.6 V，则实质是最大充电电压为= 2 ×3.6 V≈4.2 V，取4.2 V为最大值，决不允许超出，否则锂离子电池就可能被充坏。而铅酸蓄电池的最大充电电压，通常也是按 2 倍关系进行设置，但一般没做严格要求，如电动车内的铅酸蓄电池，标称为48 V的电池组，理论设置最大充电电压= 2 ×48 V≈54 V，而在实际电路应用中充电电路设置最大电压确为56 V，有些领域的充电电压达到1.5倍以上，这样电池也是容易被充坏的（见图1）。当采用电容为电源单元时，只能按标称电压进行充电，否则将可会充爆电容（见图2）。

　　3 充电电流倍率考虑

　　充电倍率是表征充电电池在充电的时的快慢一种量度，是指电池在规定的时间内充电至其额定容量时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数，即“充电电流/电池额定容量=充电倍率”。常规的充电电池电路设计的充电电流倍率经典值C=1/10额定电流，也就是充电时常按照10 h左右进行计算。如标称为10 A的蓄电池，其充电电流为1 A，需要充电10 h。这种考虑主要是针对充电电池的化学特征，为了有效地使用可充电电池，小电流充电势必是有效保护电池的一种有效方式。

　　电容的充电则是按照时间常数设定而设计。电容器的充电时间常数，是电容的端电压达到最大值的0.63倍时所需要的时间，通常时间达到5倍的充电时间常数后就认为充满了（见图2）。充电时间常数的大小与电路的电阻有关，按照公式计算： t RCc =，其中 R 是电阻；C是电容。

　　4 小电流充电电路

　　根据电容器的充电特征可以看出，在充电中是累积电荷进行存储的过程。在玩具的电路中，由于都是为儿童准备的，故此在电路设计中采用小电流充电，满足一些小功耗的电路是完全可行的。比如，玩具车的遥控器，这种耗电小的电路供电，即可采用小电流充电满足要求。

　　此处以TPS 7A78为例，设计一款小于300 mA的为电容充电的电路。TPS 7A78有较高的整体效率，采用内部半桥降压的模式进行降压，减少了外围电磁元件的换能降压，只用外部电容器来主动钳制和校正准确的输出电压。改电源电路内部独特的架构，允许备用功率将从几100 mW减少到只有几 mW，自损耗相当的小。采用内部泵电源电路与外部电容器结合，电路整体积可以做到很小能方便嵌入到玩具内。

　　图3所示电路为TPS 7A78实现5 V/300 mA的充电电路充电采用编程方式进行控制，能为一些小功耗玩具的电容充电。

　　根据实际的对22 F/5 V单体电容进行充电，实测充电图形如图4所示。

　　5 电容恒流恒压充电系统

　　电容充电都要求是恒压的，这样才能保证电容的电压稳定且不会被过高电压过充电而导致电容鼓包等损坏，并且电容的充电与电压是没有关系的，只与时间常数有关。但为了快速地充电，有效地保证时间常数的有效性，在最短的时间内充满电，就必须保证有能充满电容存储电量的电能供给满足。故此，在实施充电电路中，经常采用恒流恒压的电源充电，以保证电容充电的电荷存储量。

　　此处为“带电玩具”设计的便携式USB充电电源管理系统，就是将充电电源以恒流恒压的形式为电容进行充电。本文设计采用TI公司新型锂电池充电芯片系列BQ2405X系列中的BQ24050。BQ24050本身定义为度集成的锂离子线性充电器芯片，电源输入具备USB端口或交流适配器输出两种，适应较高的电源输入，且具有输入电压保护。BQ 24050只有一个电源输出，为电池充电,充电分具备恒流和恒压功能。在充电阶段，由于设计有内部控制回路监测IC结温度，并在超过内部温度阈值时降低电荷电流，以有效保护充电时的过电流。

　　BQ 24050内设电功率级和电荷电流感知函数完全结合电路，充电电路具有高精度的电流和电压调节回路、充电状态显示和充电终止功能。预置电流和终止电流阈值是通过外部电阻编程的。快速电荷电流值也可通过外部电阻进行编程而设定，图5所示为基于BQ24050的800 mA恒流恒压充电电路。

　　由于BQ24050本身为锂电池充电控制芯片，本身对恒流恒压及保护电路有着严格的定义，特别是在保护电路中，具有电压、电流及温度方面的保护。

　　经过电路充电测试，获得图6所示充电波形，从建立充电的准备期，快速进行恒压恒流充电，到恒压浮充后减小电流截止提供电流，充电结束。

　　6 结论

　　目前带“电”玩具的电容充电管理电路，将会应用到未来一段时间的玩具电源市场。本文所探讨的还是立足于带线的充电方式，不论是220 V降压充电还是USB电源充电，都是当前的最流行的玩具充电方式之一。而未来的玩具充电，电容作为储能元件是长期应用的一种趋势，充电模式也会在未来采用无线充电的模式，无线充电的电源电容充电与本文又有一些区别，不在本文的电源充电管理之中。

　　作者简介

　　刘桄序（1977—），高级工程师，工程硕士，副院长，主要研究方向：嵌入式、智能硬件方向。

　　刘光乾（1975—），工程师，教师，主要研究方向：物联网、计算机网络方向。

　　本文来源于科技期刊必威娱乐平台 2019年第10期第55页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 201910 玩具充电 电容充电 电源管理 电源设计