輕鬆解決充電寶因過載使用而導致的過熱問題

作者: TI 工程師 Helen Chen

充電寶 在給移動設備充電的過程中如果發生過熱的問題,很容易導致起火爆炸等安全問題。我們經常能從媒體上看到此類事故的發生。因此充電寶的設計者們通常會加入過流保護電路,過熱保護電路來增加產品的可靠性。充電寶行業競爭激烈,成本壓力很大,因此這些額外增加的線路越簡單可靠, 產品越有競爭力。

TI的參考設計PMP9806就是針對這一客戶需求而設計的。這個參考設計的輸入電壓為2.7-4.4V, 輸出能力為18W (5V/3A, 9V/2A 及12V/1.5A)。當升壓變換器TPS61088 的輸出電流大於設定值,輸出電壓就會下降, 有效地限制了輸出功率和輸出電流, 從而避免了充電寶 因過載使用而導致的過熱問題。下面我們來看一下具體的電路設計。

TI參考設計PMP9806的系統框圖

圖1是TI參考設計PMP9806的系統框圖。採樣 電阻RS將輸出電流轉化為一個電壓信號VSENSE。運算放大器A1將VSENSE放大成VAMP1接到運算放大器A2的輸入端。VFB是TPS61088FB 腳的參考電壓,VFB為1.204V。當輸出電流小於限流點時,當VAMP1低於1.204V,二極體D不導通,電阻RADJ懸空,TPS61088FB腳的電壓僅由輸出電壓決定。當輸出電流高於限流點時,當VAMP1高於1.204V,二極體D導通,VAMP2直接跟隨VAMP1的電壓,TPS61088FB 腳的電壓上升,輸出電壓下降。如果輸出電流進一步上升, 輸出電壓將進一步下降。輸出電壓的下降幅度由RADJ的阻值決定。RADJ的阻值越小,輸出電壓的下降幅度就越大。

圖1. PMP9806的結構框圖

TI參考設計PMP9806的設計指標

表1給出了PMP9806設計指標,限流點的值設置在比正常輸出高5%。 一旦輸出電流高於限流點,輸出電壓馬上下降,從而限制了最大輸出功率,有效防止了充電寶因過載使用而導致的過熱問題。

表 1. 設計指標

Input VoltageOutput Voltage/Output CurrentOutput Current Limit Point3V- 4.2V9V/2AIo ≥ 2.1A5V/3AIo ≥ 3.15A12V/1.5AIo ≥ 1.575A

TI參考設計PMP9806的參數計算

圖2 給出了PMP9806限流電路的示意圖。該限流電路裡面兩個最關鍵的參數是運算放大器A1放大倍數的選擇和調節電阻RADJ參數的選擇。

以輸出Vo=9V,Io=2A為例,限流點設置在2.1A。採樣電阻為25m ohm,因此當輸出電流達到限流點時,採樣電阻兩端的電壓VSENSE為:

(1)

此時要使得限流電路起作用,運算放大器A1的輸出必須達到TPS61088 FB 腳的參考電壓值1.204V。因此我們可以得到下面的等式:

(2)

由此我們可以得到A1的放大倍數為:

(3)

因此可以將R17設為232k ohm,將R16設為10.5k ohm。

圖2. PMP9806限流電路

當VAMP1高於1.204V時,二極體D導通,VAMP2直接跟隨VAMP1的電壓。因此可以推出如下的關係式:

(4)

(5)

由上述公式(5)可以推出RADJ的表達式為:

(6)

其中:

如果希望將輸出功率限制在一個更小的值,比如說當輸出電流達到3A時,輸出電壓為5.5V,則可以取RADJ=121K。

TI參考設計PMP9806的測試結果

圖3給出了輸出電流分別是2A和3A時 的啟動波形。當輸出電流為2A時,升壓變換器TPS61088的輸出電壓在啟動完畢後為正常輸出9V。當輸出電流為3A時, 由於該負載電流超過了2.1A限流點,因此升壓變換器TPS61088在啟動完畢後直接進入限流狀態,輸出電壓只有6.2V。

圖4給出了輸出電流由2A突然增加到3A時 的動態波形。我們可以看到輸出電壓在50us之內從9V下降到了6.2V,迅速將最大輸出功率限制在一個範圍內,從而有效地防止了充電寶在使用過程中由於過載而導致的過熱問題。

圖 3. 輸出電流為2A和3A時的啟動波形(VO=9V)

圖 4. 輸出電流從2A突然上升到3A時 的動態限流波形

TI參考設計PMP9806可以幫助我們輕鬆搞定充電寶過載使用導致的過熱問題。如果和參考設計PMP9779配合使用, 還可以同時解決輸出短路保護的問題。TI參考設計PMP9806提供的方法,不僅適用於充電寶, 還適用於藍牙音箱, POS機及電子煙等產品。

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