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

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。
3 \- O1 L3 X6 V. H( ~" BTI参考设计的系统框图
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。

图1. 的结构框图

TI参考设计的设计指标
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。
: g9 ~; k0 M: @9 W; `

表 1.  设计指标

Input Voltage $ N/ V+ r2 A+ N5 |" o" I; o	Output Voltage/Output Current - E* V3 J1 }" B, t' k  j5 n	Output Current Limit Point
3V- 4.2V	9V/2A , ^; u- A: D2 }' l* o5 a6 Z! `$ x	Io ≥ 2.1A 9 j; I8 {, s0 y: C  ?
	5V/3A 5 ~, |9 A9 v& m2 q	Io ≥ 3.15A
	12V/1.5A ; o: {8 U+ r1 _2 r5 i" V" }: ]$ L8 v	Io ≥ 1.575A , t( y5 k6 m: E4 i6 W1 {% w, i, M

# }0 @' I; [0 [  c, XTI参考设计的参数计算
" c  \: B) H" q" 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。
3 }! i3 I% X' `* W# a* \6 q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 ]/ P9 a7 {9 i6 w* {8 Q6 R1 |. n

                                       （1）

  K/ K: |; [( x+ V8 O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：
; g( x# d; ]8 r* n( F5 }

                                                  （2）

9 b/ O1 W6 O+ S% D由此我们可以得到A1的放大倍数为：

                 （3）

+ o7 d7 ^! u$ C4 N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）

3 ~, G* y5 r  M
3 }( W% F1 K1 |. a7 K' q1 R' i4 q& G2 }由上述公式（5）可以推出RADJ的表达式为：
- u( M( s1 M) c

                      （6）

其中：

) E# C3 i) W' t$ I) G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。
+ O3 N5 J6 X4 n) p" B+ o3 dTI参考设计的测试结果
; O0 H0 L+ W% U9 M4 f% M# E5 w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。
3 {. T) M& P8 R; y: v5 X4 z0 E
! B+ S# n) e: v/ l& p

; t' l0 k! Q  e$ `3 d

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

. K$ f$ V1 `( i" M

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学到老活到老