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优化移动设备过载过热问题,好的参考设计很关键!

优化移动设备过载过热问题,好的参考设计很关键!

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。
TI的参考设计PMP9806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TPS61088 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PMP9806的系统框图
图1是TI参考设计PMP9806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TPS61088 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,TPS61088 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,TPS61088 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。


图1. PMP9806的结构框图
TI参考设计PMP9806的设计指标
表1给出了PMP9806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
Input Voltage
Output Voltage/Output Current
Output Current Limit Point
3V- 4.2V
9V/2A
Io ≥ 2.1A
5V/3A
Io ≥ 3.15A
12V/1.5A
Io ≥ 1.575A
TI参考设计PMP9806的参数计算
图2 给出了PMP9806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:


                                     (1)
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TPS61088 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:


              (3)
因此可以将R17设为232k ohm,将R16设为10.5k ohm。


图2. PMP9806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)

其中:


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PMP9806的测试结果
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TPS61088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TPS61088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。


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
TI参考设计PMP9806可以帮助我们轻松搞定充电宝过载使用导致的过热问题。如果和参考设计PMP9779配合使用, 还可以同时解决输出短路保护的问题。TI参考设计PMP9806提供的方法,不仅适用于充电宝, 还适用于蓝牙音箱, POS机及电子烟等产品。如果您感兴趣的话, 可以到TI网站下载设计文档作参考。
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